Físicos desarrollan un nuevo diseño de celda solar para una mayor eficiencia

20 de febrero de 2024

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por Universidad de Paderborn

Los físicos de la Universidad de Paderborn han utilizado complejas simulaciones por computadora para desarrollar un nuevo diseño de celdas solares significativamente más eficientes que las disponibles anteriormente. Una delgada capa de material orgánico, conocida como tetraceno, es responsable del aumento en la eficiencia. Los resultados han sido publicados en Physical Review Letters.

'La energía anual de la radiación solar en la Tierra asciende a más de un billón de kilovatios-hora y por lo tanto supera la demanda energética global en más de 5,000 veces. La energía fotovoltaica, es decir, la generación de electricidad a partir de la luz solar, ofrece un potencial grande y aún en gran parte inexplorado para el suministro de energía limpia y renovable. Las celdas solares de silicio utilizadas para este propósito actualmente dominan el mercado, pero tienen límites de eficiencia,' explica el Prof. Dr. Wolf Gero Schmidt, físico y Decano de la Facultad de Ciencias Naturales de la Universidad de Paderborn. Una razón de esto es que parte de la energía de la radiación de onda corta no se convierte en electricidad, sino en calor no deseado.

Schmidt explica, 'Para aumentar la eficiencia, la celda solar de silicio puede ser provista de una capa orgánica, por ejemplo hecha del semiconductor tetraceno. La luz de onda corta es absorbida en esta capa y convertida en excitaciones electrónicas de alta energía, llamadas excitones. Estos excitones se degradan en el tetraceno en dos excitaciones de baja energía. Si estas excitaciones pueden transferirse con éxito a la celda solar de silicio, pueden convertirse eficientemente en electricidad y aumentar el rendimiento global de energía utilizable.'

Avance decisivo para la transferencia rápida de energía

La transferencia de excitación del tetraceno al silicio está siendo investigada por el equipo de Schmidt utilizando complejas simulaciones por computadora en el Centro de Computación Paralela de Paderborn (PC2), el centro de computación de alto rendimiento de la universidad. Se ha logrado un avance decisivo: En un estudio conjunto con el Dr. Marvin Krenz y el Prof. Dr. Uwe Gerstmann, ambos de la Universidad de Paderborn, los científicos han demostrado que defectos especiales en forma de enlaces químicos no saturados en la interfaz entre la película de tetraceno y la celda solar aceleran dramáticamente la transferencia del excitón.

Schmidt señala, 'Estos defectos ocurren durante la desorción del hidrógeno y crean estados de interfaz electrónicos con energía fluctuante. Estas fluctuaciones transportan las excitaciones electrónicas desde el tetraceno hacia el silicio como un ascensor.'

Tales 'defectos' en celdas solares ocasionan en realidad pérdidas de energía. Esto hace que los resultados del trío de físicos sean aún más sorprendentes.

'En el caso de la interfaz silicio-tetraceno, los defectos son esenciales para la transferencia rápida de energía. Los resultados de nuestras simulaciones por computadora son verdaderamente sorprendentes. También proporcionan indicaciones precisas para el diseño de un nuevo tipo de celda solar con una eficiencia significativamente aumentada,' afirma Schmidt.

Proporcionado por Universidad de Paderborn