Las células solares convencionales tienen una eficiencia cuántica externa (EQE) máxima del 100%: por cada fotón que incide en la célula, generan un electrón fotoexcitado. En los últimos años, los científicos han tratado de mejorar esto desarrollando materiales que “liberan” más de un electrón por cada fotón que absorben. Un equipo liderado por un físico Chinedu Ekuma of Universidad de Lehigh en EE. UU. ha logrado este objetivo, produciendo un material con una EQE de hasta el 190 %, casi el doble que las células solares de silicio.
El equipo creó el nuevo compuesto insertando átomos de cobre entre capas atómicamente delgadas de seleniuro de germanio (GeSe) y sulfuro de estaño (SnS). El material resultante tiene la fórmula química CuxGeSe/SnS, y los investigadores lo desarrollaron aprovechando las llamadas brechas de van der Waals. Estos espacios atómicamente pequeños existen entre capas de materiales bidimensionales y forman "bolsillos" en los que se pueden insertar (o "intercalar") otros elementos para ajustar las propiedades del material.
Estados de banda prohibida intermedia
Los investigadores de Lehigh atribuyen el aumento de EQE del material a la presencia de estados de banda prohibida intermedia. Estos distintos niveles de energía electrónica surgen dentro de la estructura electrónica del material de una manera que les permite absorber la luz de manera muy eficiente en un amplio espectro de longitudes de onda de radiación solar. En el nuevo material, estos niveles de energía existen entre 0.78 y 1.26 electronvoltios (eV), que se encuentran dentro del rango en el que el material puede absorber eficientemente la luz solar.
El material funciona particularmente bien en las regiones infrarroja y visible del espectro electromagnético, produciendo, en promedio, casi dos portadores de carga fotoexcitados (electrones y huecos unidos en cuasipartículas conocidas como excitones) por cada fotón incidente. Según Ekuma, estos materiales de “generación de excitones múltiples” pueden servir como capa activa dentro de los dispositivos de células solares, donde su rendimiento se rige fundamentalmente por la física de los excitones. "Esta capa activa es crucial para mejorar la eficiencia de la célula solar al facilitar la generación y el transporte de excitones en el material", explica Ekuma.
Se necesita más investigación para dispositivos prácticos
Los investigadores utilizaron modelos computacionales avanzados para optimizar el espesor de la capa fotoactiva del material. Calcularon que su EQE se puede mejorar asegurándose de que permanezca delgado (en el llamado límite cuasi-2D) para evitar pérdidas por confinamiento cuántico. Este es un factor clave que afecta la generación y el transporte eficiente de excitones a través de un proceso conocido como recombinación no radiativa, en el que los electrones y los huecos tienen tiempo de recombinarse en lugar de separarse para producir una corriente útil, explica Ekuma. "Al mantener el confinamiento cuántico, preservamos la capacidad del material para convertir eficazmente la luz solar absorbida en energía eléctrica y operar con la máxima eficiencia", afirma.
La tensión guía el flujo de excitones en materiales 2D.
Si bien el nuevo material es un candidato prometedor para el desarrollo de células solares de alta eficiencia de próxima generación, los investigadores reconocen que será necesario realizar más investigaciones antes de que pueda integrarse en los sistemas de energía solar existentes. "Ahora estamos explorando más a fondo esta familia de materiales intercalados y optimizando su eficiencia a través de diversos procesos de ingeniería de materiales para este fin", dice Ekuma. Mundo de la física.
El estudio se detalla en Science Advances.
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- Fuente: https://physicsworld.com/a/new-photovoltaic-2d-material-breaks-quantum-efficiency-record/
