Los paneles solares pueden ser una alternativa para generar energía en los hogares a un costo bajo, pero, ¿podrían estas tecnologías fotovoltaicas ser aún más eficientes? Los dispositivos convierten la luz solar en electricidad gracias a los materiales semiconductores con los que se fabrican, pero su rendimiento se limita a un aproximado del 33%. Es decir, solo ese porcentaje de la radiación solar se convierte en electricidad.
Al respecto, investigadores del Tecnológico de Monterrey y el Instituto Tecnológico de Massachusetts (MIT, por sus siglas en inglés), a través de una alianza de colaboración científica, buscan nuevos materiales que ayuden a estas tecnologías a superar esa barrera.
Los semiconductores que actualmente se utilizan en la industria fotovoltaica son la perovskita, el silicio, el telururo de cadmio y compuestos con germanio al contar con propiedades ópticas ideales, y en algunos casos, por ser abundantes y de bajo costo, dice Carolina Orona, investigadora del Institute of Advanced Materials and Sustainable Manufacturing. Sin embargo, además de no alcanzar la máxima eficiencia, no son tan estables e incluso pueden ser tóxicos para el medio ambiente.
Identificando los nuevos materiales
Orona, también profesora de la Escuela de Ingeniería y Ciencias (EIC) del Tec campus Monterrey, colaboró en un proyecto del Laboratorio de Investigación en Metamateriales Multifuncionales del MIT, junto a la profesora Svetlana Boriskina, para caracterizar nuevos materiales y compuestos semiconductores como el teluro de bismuto. Entre sus ventajas está la de mejorar la eficiencia de las tecnologías que aprovechan la luz del sol.
“Los materiales semiconductores no son ni completamente conductores ni completamente aislantes. Son la base de dispositivos como leds, sensores, láseres y celdas solares. Lo interesante es que podemos manipularlos para que tengan las propiedades que necesitamos”, explica. “Estos nuevos materiales sumamente delgados, tienen ventajas sobre los convencionales: su respuesta a la luz es más rápida, direccional, sensible y presentan estados electrónicos topológicamente protegidos (los electrones fluyen estables aunque haya defectos o impurezas)”.
El trabajo de la investigadora consistió en comprobar las propiedades —antes descubiertas en simulaciones teóricas— a partir de modificaciones a nivel atómico en un grupo de materiales con potencial de empujar el límite de eficiencia en los dispositivos fotovoltaicos, hasta un 50 o 60%, dice. Estos materiales son bidimensionales porque tienen un grosor de apenas unos cuantos átomos y se manejan usando microscopía óptica.
La luz interactúa de manera diferente
La investigadora midió y analizó la interacción que tienen los materiales con la luz cuando se les aplica un estrés mecánico controlado, como cuando se estiran o deforman físicamente. Para realizar esas pruebas utilizó técnicas ópticas avanzadas que permiten detectar alteraciones en el comportamiento óptico dependiendo de la estructura cristalina y el grosor del material, conocidos como elipsometría y espectroscopía de reflectancia.
Uno de estos procedimientos consistió en analizar el ángulo del reflejo de una luz aplicada con un láser.
En el experimento se utilizó un pequeño cristal sólido del material, que fue transformado en una capa muy delgada a través de un proceso conocido como exfoliación mecánica. Se extrae una lámina del cristal utilizando una cinta adhesiva; es tan fina que no puede verse a simple vista. Luego, esa “hojuela” microscópica se coloca en un sustrato o superficie plana donde se hace una caracterización óptica inicial para tener una línea base.
A continuación, se repite el proceso de exfoliación, pero la lámina se coloca en el sustrato sobre una “oblea” de silicio que tiene microestructuras y pilares grabados con litografía que tienen relieves de 200 nanómetros de altura (hasta 250 veces más delgados que el grosor de un cabello) y que hacen que se deforme físicamente, alterando su simetría interna.
Finalmente, ya con el material deformado, se usan las técnicas para identificar cambios en las propiedades ópticas —al aplicar luz con un láser— a causa de la alteración en su estructura.
A partir de este análisis, el equipo comprobó que al aplicar estrés mecánico en el material 2D se activan cambios en la interacción con la luz que no están presentes en su estado normal. “Estas propiedades que buscamos se desencadenan cuando generas una asimetría; eso hace que la luz interactúe de manera diferente con estos materiales. Son respuestas ópticas interesantes que podrían aplicarse en sensores más sensibles, fotodetectores o celdas solares más eficientes”
Se abre la puerta a dispositivos más ligeros y eficientes
La investigadora señala que los siguientes pasos serán para estudiar los nuevos materiales, el diseño y desarrollo de dispositivos en escala micro con los semiconductores que ya fueron analizados para medir ahora la generación de energía eléctrica.
Lo más prometedor es que estos materiales podrían operar en condiciones y diseños más simples que las tecnologías actuales, abriendo la puerta a dispositivos más delgados, eficientes y funcionales.
“Los semiconductores están en todos lados y como muchas tecnologías tienen que evolucionar. Tenemos que seguir buscando alternativas de materiales nuevos para usarlos en aplicaciones que nos van a llevar a tener energías más eficientes y más limpias”.
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