Investigadores de la Universidad Martin Luther Halle-Wittenberg (MLU) han descubierto un nuevo método para aumentar la eficiencia de las células solares en un factor de 1000. El equipo de científicos logró este avance mediante la creación de capas cristalinas de titanato de bario, titanato de estroncio y titanato de calcio, que se colocaron alternativamente una encima de la otra en una estructura de celosía.
Sus hallazgos, que podrían revolucionar la industria de la energía solar, se publicaron recientemente en la revista Science Advances
Las celdas solares actualmente en uso son en su mayoría a base de silicio, pero su eficiencia es limitada. Esto ha llevado a los investigadores a explorar nuevos materiales, como ferroeléctricos como el titanato de bario, que es un óxido mixto hecho de bario y titanio. Los materiales ferroeléctricos tienen cargas positivas y negativas espacialmente separadas, lo que conduce a una estructura asimétrica que genera electricidad a partir de la luz. A diferencia del silicio, los cristales ferroeléctricos no requieren una unión pn para crear el efecto fotovoltaico, lo que facilita la producción de paneles solares.
Sin embargo, el titanato de bario puro no absorbe mucha luz solar, lo que da como resultado una fotocorriente relativamente baja. La nueva investigación ha demostrado que la combinación de capas extremadamente finas de diferentes materiales aumenta significativamente el rendimiento de la energía solar.
Según el físico Dr. Akash Bhatnagar del Centro de Competencia de Innovación SiLi-nano de MLU, «lo importante aquí es que un material ferroeléctrico se alterna con un material paraeléctrico. Aunque este último no tiene cargas separadas, puede volverse ferroeléctrico bajo ciertas condiciones, por ejemplo a bajas temperaturas o cuando su estructura química se modifica ligeramente».
El grupo de investigación de Bhatnagar descubrió que el efecto fotovoltaico aumenta mucho si la capa ferroeléctrica alterna no solo con una, sino con dos capas paraeléctricas diferentes.
Yeseul Yun, estudiante de doctorado en MLU y primer autor del estudio, explicó el proceso involucrado y afirmó: «Incrustamos el titanato de bario entre el titanato de estroncio y el titanato de calcio. Esto se logró vaporizando los cristales con un láser de alta potencia y volviendo a depositar en sustratos portadores. Esto produjo un material hecho de 500 capas que tiene un grosor de aproximadamente 200 nanómetros».
Al realizar las mediciones fotoeléctricas, el nuevo material se irradió con luz láser. El resultado sorprendió incluso al grupo de investigación: en comparación con el titanato de bario puro de un espesor similar, el flujo de corriente era hasta 1.000 veces más fuerte, a pesar de que la proporción de titanato de bario como principal componente fotoeléctrico se redujo en casi dos tercios.
Bhatnagar explicó: «La interacción entre las capas de la red parece conducir a una permitividad mucho mayor; en otras palabras, los electrones pueden fluir mucho más fácilmente debido a la excitación de los fotones de luz». Las mediciones también mostraron que este efecto es muy robusto: se mantuvo casi constante durante un período de seis meses.
Ahora se necesita más investigación para determinar la causa exacta del efecto fotoeléctrico sobresaliente. Bhatnagar confía en que el potencial demostrado por el nuevo concepto se puede utilizar para aplicaciones prácticas en paneles solares. «La estructura de capas muestra un mayor rendimiento en todos los rangos de temperatura que los ferroeléctricos puros. Los cristales también son significativamente más duraderos y no requieren un embalaje especial».
Este nuevo desarrollo tiene implicaciones de gran alcance para la industria solar. Los paneles solares hechos con este nuevo material serían significativamente más eficientes y el costo de producirlos sería más bajo que las células solares basadas en silicio. Además, requerirían menos espacio para generar la misma cantidad de electricidad, lo que los hace ideales para usar en áreas urbanas donde el espacio es limitado.
El descubrimiento del equipo de investigación de MLU ya llamó la atención de los líderes de la industria. La Dra. Jennifer Rupp, profesora de ETH Zurich que no participó en el estudio, comentó sobre la importancia de los hallazgos. «Este es un descubrimiento muy emocionante que podría tener un impacto significativo en el desarrollo de células solares más eficientes», dijo Rupp. «El hecho de que el nuevo material también sea más duradero y más fácil de producir que los paneles solares tradicionales a base de silicio lo hace aún más prometedor».
La energía solar es una de las fuentes de energía renovable de más rápido crecimiento, y se espera que la demanda de paneles solares aumente drásticamente en los próximos años. Según la Agencia Internacional de Energía, la energía solar se convertirá en la mayor fuente de electricidad para 2050, representando alrededor de un tercio de la generación mundial de electricidad. Sin embargo, es necesario mejorar la eficiencia de los paneles solares actuales para que esto se convierta en una realidad.
El descubrimiento del equipo de investigación de MLU podría desempeñar un papel clave en esta transición. Al aumentar el efecto fotovoltaico de los cristales ferroeléctricos, el nuevo material podría aumentar significativamente la eficiencia de los paneles solares. Esto no solo haría que la energía solar fuera más rentable, sino que también reduciría nuestra dependencia de los combustibles fósiles y ayudaría a combatir el cambio climático.
El autor principal del estudio, Yeseul Yun, está entusiasmado con el impacto potencial de los hallazgos del equipo. «Nuestro descubrimiento abre una nueva vía para desarrollar células solares más eficientes», dijo Yun. «Al combinar diferentes materiales de una manera específica, podemos crear un material que genere mucha más electricidad que los paneles solares tradicionales basados en silicio. Esto podría revolucionar la industria solar y ayudarnos a hacer la transición hacia un futuro más sostenible».
El próximo paso para el equipo de investigación de MLU es investigar más a fondo las propiedades del nuevo material y optimizar su rendimiento. «Todavía estamos tratando de entender exactamente cómo interactúan los diferentes materiales para producir un efecto fotovoltaico tan fuerte», dijo Bhatnagar. «También queremos ver si podemos aumentar aún más la eficiencia del material modificando su composición o estructura».
El equipo ya está trabajando en un nuevo prototipo de célula solar basado en sus hallazgos. Si tiene éxito, esto podría conducir al desarrollo de paneles solares comerciales basados en el nuevo material en los próximos años. «Estamos entusiasmados con el potencial de nuestro descubrimiento para marcar una diferencia real en el mundo», dijo Yun. «Si podemos crear paneles solares que sean más eficientes, duraderos y rentables, podríamos ayudar a acelerar la transición hacia un futuro más sostenible».
Los hallazgos del equipo de investigación de MLU también han generado interés entre inversores y empresarios. Varias empresas emergentes ya están explorando formas de comercializar la nueva tecnología, y los capitalistas de riesgo están ansiosos por financiar más investigaciones en esta área. «Este es un campo muy prometedor con un enorme potencial», dijo Markus Ederer, director ejecutivo de una empresa emergente de energía renovable con sede en Berlín. «Si podemos crear paneles solares que sean mucho más eficientes y rentables, podríamos transformar el sector energético y ayudar a abordar uno de los mayores desafíos que enfrenta la humanidad en la actualidad».
El descubrimiento del equipo de investigación de MLU es solo un ejemplo de la investigación pionera que se está llevando a cabo en el campo de las energías renovables. Dado que el mundo enfrenta desafíos ambientales urgentes, es más importante que nunca invertir en tecnologías de energía limpia que puedan ayudarnos a hacer la transición hacia un futuro más sostenible. Al aprovechar la energía del sol, podemos reducir nuestra huella de carbono y crear un mundo más próspero y equitativo para las generaciones venideras.