La energía solar es fundamental para un futuro de energía limpia. Tradicionalmente, la energía solar se recolecta utilizando silicio, el mismo material semiconductor que se utiliza en los dispositivos electrónicos cotidianos. Pero los paneles solares de silicio tienen inconvenientes: por ejemplo, son costosos y difíciles de montar en superficies curvas.
Los investigadores han desarrollado materiales alternativos para la recolección de energía solar para resolver tales deficiencias. Entre los más prometedores se encuentran los llamados semiconductores “orgánicos”, semiconductores a base de carbono que son abundantes en la Tierra, más baratos y ecológicos.
“Potencialmente pueden reducir el costo de producción de los paneles solares porque estos materiales se pueden recubrir en superficies arbitrarias utilizando métodos basados en soluciones, al igual que pintamos una pared”, dijo Wai-Lun Chan, profesor asociado de física y astronomía en la Universidad de Kansas. “Estos materiales orgánicos se pueden ajustar para absorber la luz a longitudes de onda seleccionadas, lo que se puede utilizar para crear paneles solares transparentes o paneles de diferentes colores. Estas características hacen que los paneles solares orgánicos sean particularmente adecuados para su uso en edificios verdes y sostenibles de próxima generación”.
Si bien los semiconductores orgánicos ya se han utilizado en el panel de visualización de dispositivos electrónicos de consumo como teléfonos celulares, televisores y auriculares de realidad virtual, aún no se han utilizado ampliamente en paneles solares comerciales. Una desventaja de las células solares orgánicas ha sido su baja eficiencia de conversión de luz a electricidad, alrededor del 12% frente a las células solares de silicio monocristalino que funcionan con una eficiencia del 25%.
Según Chan, los electrones en los semiconductores orgánicos generalmente se unen a sus contrapartes positivas conocidas como “agujeros”. De esta manera, la luz absorbida por los semiconductores orgánicos a menudo produce cuasipartículas eléctricamente neutras conocidas como “excitones”.
Pero el desarrollo reciente de una nueva clase de semiconductores orgánicos conocidos como aceptores no fullerenos (NFA) cambió este paradigma. Las células solares orgánicas fabricadas con NFA pueden alcanzar una eficiencia más cercana al 20%.
A pesar de su excelente rendimiento, la comunidad científica todavía no ha aclarado por qué esta nueva clase de NFA supera significativamente a otros semiconductores orgánicos.
En un estudio innovador que aparece en Advanced Materials, Chan y su equipo, incluidos los estudiantes de posgrado Kushal Rijal (autor principal), Neno Fuller y Fatimah Rudayni del departamento de Física y Astronomía, y en colaboración con Cindy Berrie, profesora de química en KU, han descubierto un mecanismo microscópico que resuelve en parte el rendimiento sobresaliente logrado por un NFA.
La clave de este descubrimiento fueron las mediciones tomadas por el autor principal Rijal utilizando una técnica experimental llamada “espectroscopia de fotoemisión de dos fotones resuelta en el tiempo” o TR-TPPE. Este método permitió al equipo rastrear la energía de los electrones excitados con una resolución de tiempo subpicosegundos (menos de una billonésima de segundo).
“En estas mediciones, Kushal [Rijal] observó que algunos de los electrones excitados ópticamente en el NFA pueden ganar energía del entorno en lugar de perder energía al entorno”, dijo Chan. “Esta observación es contraria a la intuición porque los electrones excitados normalmente pierden su energía al entorno como una taza de café caliente que pierde su calor al entorno”.
El equipo, cuyo trabajo fue apoyado por la Oficina de Ciencias Básicas de la Energía del Departamento de Energía, cree que este proceso inusual ocurre a escala microscópica gracias al comportamiento cuántico de los electrones, que permite que un electrón excitado aparezca simultáneamente en varias moléculas. Esta rareza cuántica se combina con la Segunda Ley de la Termodinámica, que establece que todo proceso físico conducirá a un aumento de la entropía total (a menudo conocida como “desorden”) para producir el inusual proceso de ganancia de energía.
“En la mayoría de los casos, un objeto caliente transfiere calor a sus alrededores fríos porque la transferencia de calor conduce a un aumento de la entropía total”, dijo Rijal. “Pero encontramos que para moléculas orgánicas dispuestas en una estructura nanoscópica específica, la dirección típica del flujo de calor se invierte para que la entropía total aumente. Este flujo de calor invertido permite que los excitones neutros ganen calor del entorno y se disocien en un par de cargas positivas y negativas. Estas cargas libres pueden, a su vez, producir corriente eléctrica”.
Con base en sus hallazgos experimentales, el equipo propone que este mecanismo de separación de carga impulsado por la entropía permite a las células solares orgánicas fabricadas con NFA alcanzar una eficiencia mucho mejor.
“Comprender el mecanismo subyacente de separación de carga permitirá a los investigadores diseñar nuevas nanoestructuras para aprovechar la entropía para dirigir el flujo de calor o energía a nanoescala”, dijo Rijal. “A pesar de que la entropía es un concepto bien conocido en física y química, rara vez se ha utilizado activamente para mejorar el rendimiento de los dispositivos de conversión de energía”.
No solo eso: mientras que el equipo de KU cree que el mecanismo descubierto en este trabajo se puede utilizar para producir células solares más eficientes, también piensan que puede ayudar a los investigadores a diseñar fotocatalizadores más eficientes para la producción de combustibles solares, un proceso fotoquímico que utiliza la luz solar para convertir el dióxido de carbono en combustibles orgánicos.
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