Un equipo de la Universidad de Groningen, en los Países Bajos, identificó un mecanismo que permite a ciertos materiales para celdas solares conservar durante más tiempo la energía de electrones altamente excitados. La tecnología basada en perovskitas de estaño logró ralentizar en un factor de 1.000 la pérdida de calor de los llamados electrones calientes, un avance que podría ayudar a superar el límite teórico de eficiencia del 33% en los paneles solares.
Las celdas solares convierten la luz en electricidad a partir de los fotones que llegan desde el Sol. Cuando esas partículas impactan sobre el material del panel, transfieren energía a los electrones. Los fotones más energéticos producen electrones calientes, capaces de aportar más electricidad que los electrones convencionales.
El problema es que esa energía adicional suele desaparecer casi de inmediato. Los electrones calientes se enfrían en fracciones de una billonésima de segundo y liberan el excedente en forma de calor antes de que el sistema pueda aprovecharlo para producir electricidad.
La investigación busca resolver esa pérdida. Según los resultados, el material estudiado puede mantener esa energía durante nanosegundos, en lugar de los picosegundos habituales. El tiempo de enfriamiento de los electrones se extendió hasta 1.000 veces frente a los procesos observados en otros materiales.
El límite del 33% que condiciona a las celdas solares
Existe una teoría física que establece que las celdas solares convencionales solo pueden transformar en electricidad alrededor de un tercio de la luz solar que reciben. Parte de la energía no se absorbe y otra parte se pierde cuando los electrones excitados se enfrían demasiado rápido.
La posibilidad de capturar la energía de los electrones calientes podría modificar ese escenario. Si un dispositivo logra extraerla antes de que se convierta en calor residual, la celda podría generar más electricidad a partir de la misma cantidad de luz.
“El problema es que la energía se pierde antes de que el electrón caliente salga del material de la celda solar”, explicó Jan Anton Koster, profesor de Física de Semiconductores y Dispositivos Novedosos de la Universidad de Groningen y coautor del estudio publicado en ACS Energy Letters.
El equipo trabajó con perovskitas de haluros metálicos basadas en estaño, una clase de materiales semiconductores con una estructura cristalina tridimensional. El estaño se combina con halógenos y con componentes orgánicos o inorgánicos para formar materiales capaces de absorber luz y transportar carga eléctrica.
Las perovskitas de estaño conservaron energía durante nanosegundos
La investigación reunió simulaciones computacionales y mediciones experimentales basadas en luz. El grupo encabezado por Koster trabajó junto con Maria Antonietta Loi, profesora de Fotofísica y Optoelectrónica, para analizar por qué estas perovskitas podían retrasar de manera tan marcada el enfriamiento de los portadores de carga.
El laboratorio de Loi comprobó que los electrones calientes perdían su energía mucho más lentamente de lo previsto. El resultado generó dudas iniciales incluso dentro del equipo. “Llegamos a dudar de las mediciones”, reconoció Koster.
Para aclarar el fenómeno, Koster y el estudiante de doctorado Tim Faber desarrollaron simulaciones digitales destinadas a reconstruir el comportamiento de los electrones dentro del material. Los resultados coincidieron con las observaciones realizadas en el laboratorio y señalaron que el retraso no respondía a una única causa.
Las simulaciones y las mediciones de fotoluminiscencia resueltas en el tiempo mostraron dos procesos que actúan de forma conjunta. Uno retiene temporalmente el calor en el entorno de los electrones; el otro restringe las posiciones energéticas disponibles para que esos electrones puedan enfriarse.
Dos efectos físicos bloquean el enfriamiento acelerado
El primer mecanismo recibe el nombre de cuello de botella de fonones calientes. Cuando un electrón libera energía, esa energía pasa al entorno del material. En las perovskitas de estaño, ese entorno se calienta con tal rapidez que el electrón puede reabsorber parte de la energía térmica que había perdido.
Ese intercambio crea una especie de trampa de calor. La energía no abandona con rapidez la zona donde se encuentra el electrón y, por ese motivo, el proceso de enfriamiento se frena.
El segundo mecanismo es el efecto Burstein-Moss. A medida que los electrones empiezan a perder energía, ocupan los estados disponibles de menor nivel energético. Cuando esos lugares ya están llenos, otros electrones calientes encuentran menos espacio para descender y disipar su energía.
Los investigadores compararon ese proceso con el abordaje de un avión desde las filas delanteras. Si los primeros pasajeros ocupan los asientos iniciales, quienes ingresan después deben avanzar hacia las filas posteriores. En el material solar, la ocupación de estados de menor energía retrasa la caída de otros electrones.
La combinación entre el cuello de botella de fonones calientes y el efecto Burstein-Moss explica los tiempos de enfriamiento prolongados detectados en las perovskitas de haluros metálicos con estaño.
Aún quedan preguntas por resolver antes de que la tecnología pueda incorporarse a paneles comerciales. El equipo señaló que, en teoría, este comportamiento podría permitir el desarrollo de celdas solares más eficientes y superar el límite del 33% asociado a los dispositivos convencionales.
