Hallazgo científico: “Hemos dado con el eslabón perdido en la fisión de singletes”

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Hasta la fecha, las células solares de silicio fotovoltaico pueden utilizar como máximo un 33% de la energía recibida por la irradiación solar y convertirla en electricidad. Esta eficiencia máxima teórica se conoce como el límite Shockley-Queisser. El motivo se debe a que los paquetes de luz, o fotones, de los rayos solares tienen una energía demasiado baja para ser absorbida por la célula solar, o demasiado alta, de modo que una parte de la energía se disipa en calor residual. En la práctica, la eficiencia de las células solares comerciales modernas es del 20-25%.

Sin embargo, en teoría, la eficiencia de las células solares puede aumentarse aprovechando un fenómeno conocido como fisión de singletes. Hasta ahora se sabía que esta fisión es un fenómeno fotofísico en moléculas y paquetes moleculares, por el que un excitón singlete generado por la irradiación se divide en dos excitones triplete. Pero, ¿cómo afecta esto a las células solares? Pues porque permitiría que el proceso fotovoltaico aumentara la eficiencia teórica de las células solares del 33% al 44%, es decir, un 46% de incremento sobre el límite actual.

El proceso de fisión tiene lugar en material cristalino.

Imagen: Linköping University. Thor Balkhed

En los últimos años, la fisión de singletes ha atraído cada vez más la atención de los científicos, y en pv magazine hemos publicado varios artículos al respecto. Por todo esto, se está llevando a cabo una intensa actividad para desarrollar el material óptimo que permita optimizar el proceso. Un grupo de investigación dirigido por científicos de la Universidad de Linköping, en Suecia, junto con colegas de Cambridge, Oxford, Donostia y Barcelona, ha descubierto qué ocurre durante la fisión de singletes y a dónde va a parar esa energía perdida.

Los científicos, entre los que se encuentran David Casanova y Maria Eugenia Sandoval-Salinas, investigadores asociados del Donostia International Physics Center (DIPC), han publicado un estudio con sus resultados en la prestigiosa revista Cell Reports Physical Science titulado «Competition between triplet pair formation and excimer-like recombination controls singlet fission yield».

pv magazine ha entrevistado al Doctor Yuttapoom Puttisong con el objetivo de aclarar los detalles de su descubrimiento.

pv magazine: ¿Por qué es relevante su investigación?

Dr. Yuttapoom Puttisong: La fisión de singletes tiene lugar en menos de un nanosegundo, y esto hace que sea extremadamente difícil de medir. Nuestro descubrimiento nos permite abrir la caja negra y ver a dónde va la energía durante la reacción. De este modo, podremos optimizar el material para aumentar la eficiencia de las células solares.

¿A dónde va toda la energía perdida durante la fisión de singletes?

En lugar de convertirse en un estado de par triple (lo cual es el efecto deseado), la reacción de fisión de singletes pierde la energía para formar un estado de disipación de energía brillante (este no es el efecto deseado).

¿De qué manera puede impactar su estudio en la industria fotovoltaica?

Los materiales utilizados para la fisión de singletes tienen un gran potencial para superar la pérdida de calor en las células solares. Pero antes de poder realizarlo, debemos ser capaces de entender el origen físico de la pérdida de energía en el propio material de fisión de singletes. Nuestro trabajo ha contribuido a esto de manera importante. 

El descubrimiento permitiría elaborar capas que optimicen la conversión del efecto fotoeléctrico.

Imagen: Linköping University. Thor Balkhed

En su opinión, ¿A qué distancia estamos del desarrollo de nuevas tecnologías fotovoltaicas basadas en este descubrimiento?

Nos encontramos en la fase inicial del desarrollo del material. El siguiente paso es convertir los excitones tripletes (el producto de la reacción de fisión de los singletes) en luz que pueda ser recogida a través de células solares convencionales.

¿De que manera puede este descubrimiento ayudar a resolver y encontrar el material adecuado para optimizar la fisión de singletes y superar el limite Shockley-Queisser (33%)?

Ahora sabemos que los estados brillantes a lo largo de la vía de fisión de singlete no son deseados. Ahora podemos trabajar con el diseño molecular que impide la formación de tales estados.

 ¿Cuál es la implicación de la física cuántica en este proceso del que ha hablado y cómo afecta a la conversión fotovoltaica?

 Se trata de un efecto un tanto fantasmal y misterioso en el cual está implicada la física cuántica. La reacción de fisión de singletes es un efecto cuántico y de espín que nos ayuda a gestionar la energía que se puede utilizar en la eficiencia de la conversión fotovoltaica para romper el límite de Shockley Queisser del 33% de eficiencia máxima y que pase a ser de alrededor del 40%.

¿Podríamos afirmar que su investigación encontró el eslabón perdido en la fisión de singletes?

Sí, el papel de los estados intermedios brillantes está sometido a un animado debate sobre si es importante o no para la reacción de la fisión de singletes. Ahora hemos creado un protocolo experimental para abordar esta cuestión. Nuestro método también puede ser utilizado para estudiar otros materiales que utilizan la fisión de singletes.

Yuttapoom Puttisong, profesor titular del Departamento de Física, Química y Biología de la Universidad de Linköping.

Imagen: Linköping University

 

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