La mayoría de los paneles solares se fabrican con silicio, un material semiconductor muy probado que no está exento de limitaciones. Por ejemplo, el silicio pierde hasta el 40% de la energía que recoge de la luz solar en forma de calor residual. Investigadores de la Universidad Estatal de Colorado estudian nuevas formas radicales de mejorar la energía solar y ofrecer más opciones para el futuro.
Los químicos de la Universidad Estatal de Colorado proponen fabricar células solares utilizando un material natural abundantemente disponible llamado disulfuro de molibdeno. Mediante una combinación de técnicas fotoelectroquímicas y espectroscópicas, los investigadores llevaron a cabo una serie de experimentos que demostraron que unas películas extremadamente finas de disulfuro de molibdeno presentan unas propiedades de portador de carga sin precedentes que algún día podrían mejorar drásticamente las tecnologías solares.
Los experimentos fueron dirigidos por la estudiante de doctorado en química Rachelle Austin y el investigador postdoctoral Yusef Farah. Austin trabaja conjuntamente en los laboratorios de Justin Sambur, profesor asociado del Departamento de Química, y Amber Krummel, profesora asociada del mismo departamento. Farah es un antiguo estudiante de doctorado del laboratorio de Krummel. Su trabajo, “Hot carrier extraction from 2D semiconductor photoelectrodes” (Extracción de portadores calientes de fotoelectrodos semiconductores 2D), se publica en Proceedings of the National Academy of Sciences.
El laboratorio de Sambur se interesó por el sulfuro de molibdeno como posible material solar alternativo a partir de datos preliminares sobre su capacidad de absorción de la luz incluso cuando sólo tiene tres átomos de espesor, explicó Austin.
La colaboración aprovechó los conocimientos de Sambur sobre conversión de energía solar con materiales a nanoescala y los de Krummel sobre espectroscopia láser ultrarrápida, que les ayudaron a comprender la estructura y el comportamiento de los distintos materiales.
El laboratorio de Krummel cuenta con un espectrómetro de absorción transitoria ultrarrápida de sonda de bombeo que puede medir con gran precisión los estados de energía secuenciales de electrones individuales cuando se excitan con un pulso láser. Los experimentos con este espectrómetro pueden proporcionar instantáneas de cómo fluyen las cargas en un sistema.
Austin creó una célula fotoelectroquímica utilizando una única capa atómica de sulfuro de molibdeno, y ella y Farah utilizaron el láser de sonda de bombeo para rastrear el enfriamiento de los electrones a medida que se desplazaban por el material. El resultado fue una conversión de luz en energía asombrosamente eficaz. Y lo que es más importante, los experimentos de espectroscopia láser les permitieron demostrar por qué era posible esta conversión tan eficiente.
Lo que descubrieron fue que el material podía convertir tan bien la luz en energía porque su estructura cristalina le permitía extraer y explotar la energía de los llamados portadores calientes, que son electrones muy energéticos que se excitan brevemente desde su estado básico cuando reciben suficiente luz visible. Los investigadores descubrieron que, en su célula fotoelectroquímica, la energía de estos portadores calientes se convertía inmediatamente en fotocorriente, en lugar de perderse en forma de calor, lo que suponía una ventaja sobre las células solares de silicio convencionales.
“Este trabajo allana el camino para saber cómo diseñar reactores que contengan estos materiales a nanoescala para una producción de hidrógeno eficiente y a gran escala”, afirmó Sambur.
El proyecto contó con la colaboración del profesor Andrés Montoya-Castillo y el Dr. Thomas Sayer, de la Universidad de Colorado Boulder, que aportaron la química teórica y el modelado computacional para ayudar a explicar y verificar los datos experimentales.
“El descubrimiento requirió un planteamiento científico en equipo que reunió muchos conocimientos diferentes en química computacional, analítica y física”, explicó Krummel.
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