En un descubrimiento que podría tener profundas implicaciones para la futura política energética, los científicos de Columbia han demostrado que es posible fabricar células solares que son mucho más eficientes que las células de energía de silicio existentes mediante el uso de un nuevo tipo de material, un desarrollo que podría ayudar a reducirconsumo de combustibles fósiles.
El equipo, dirigido por Xiaoyang Zhu, profesor de Química en la Universidad de Columbia, centró sus esfuerzos en una nueva clase de ingredientes de células solares conocida como Perovskitas inorgánicas orgánicas híbridas HOIP. Sus resultados, informaron en la revista ciencia también explique por qué estos nuevos materiales son mucho más eficientes que las células solares tradicionales - resolver un misterio que probablemente incitará a los científicos e ingenieros a comenzar a inventar nuevos materiales solares con propiedades similares en los próximos años.
"La necesidad de energía renovable ha motivado una extensa investigación en tecnologías de células solares que son económicamente competitivas con la quema de combustibles fósiles", dice Zhu. "Entre los materiales que se están explorando para las células solares de próxima generación, los HOIP han surgido como una superestrella. Hasta ahora nouno ha podido explicar por qué funcionan tan bien y cuánto mejor podríamos hacerlos. Ahora sabemos que es posible hacer que las células solares basadas en HOIP sean aún más eficientes de lo que cualquiera creía posible ".
Las células solares son las que convierten la luz solar en electricidad. También conocidas como células fotovoltaicas, estos semiconductores están hechos con mayor frecuencia de capas delgadas de silicio que transmiten energía a través de su estructura, convirtiéndola en corriente continua.
Los paneles de silicio, que actualmente dominan el mercado de paneles solares, deben tener una pureza del 99.999 por ciento y son notoriamente frágiles y caros de fabricar. Incluso un defecto microscópico, como iones extraviados, faltantes o extra, en esta estructura cristalinapuede ejercer una poderosa atracción sobre las cargas que generan las células cuando absorben la luz solar, disipando esas cargas antes de que puedan transformarse en corriente eléctrica.
En 2009, los científicos japoneses demostraron que era posible construir células solares a partir de HOIP, y que estas células podían recolectar energía de la luz solar incluso cuando los cristales tenían un número significativo de defectos. Debido a que no necesitan ser prístinos, HOIPpuede producirse a gran escala y a bajo costo. El equipo de Columbia ha estado investigando HOIP desde 2014. Sus hallazgos podrían ayudar a impulsar el uso de la energía solar, una prioridad en la era del calentamiento global.
En los últimos siete años, los científicos han logrado aumentar la eficiencia con la que los HOIP pueden convertir la energía solar en electricidad, del 22% al 22%. Por el contrario, a los investigadores les llevó más de seis décadas crear células de silicio y llevarlas asu nivel actual, e incluso ahora las células de silicio pueden convertir no más del 25 por ciento de la energía del sol en corriente eléctrica.
Este descubrimiento, dijo Zhu, significa que "los científicos apenas han comenzado a aprovechar el potencial de los HOIP para convertir la energía del sol en electricidad".
Los teóricos demostraron hace mucho tiempo que la eficiencia máxima que las células solares de silicio podrían alcanzar, el porcentaje de energía en la luz solar que podría convertirse en electricidad que podemos usar, es aproximadamente del 33 por ciento. Se necesitan cientos de nanosegundos para que los electrones energizados se muevandesde la parte de una célula solar que les infunde la energía del sol, hasta la parte de la célula que cosecha la energía y la convierte en electricidad que finalmente puede ser alimentada a una red eléctrica. Durante esta migración a través de la célula solar, la energíalos electrones disipan rápidamente su exceso de energía. Pero esos cálculos suponen una tasa específica de pérdida de energía. El equipo de Columbia descubrió que la tasa de pérdida de energía se ralentiza en más de tres órdenes de magnitud en HOIP, lo que hace posible la recolección del excesoenergía electrónica para aumentar la eficiencia de las células solares.
"Estamos hablando de duplicar potencialmente la eficiencia de las células solares", dice Prakriti P. Joshi, un estudiante de doctorado en el laboratorio de Zhu que es coautor del documento ". Eso es realmente emocionante porque abre un gran, gran campo en ingeniería. "Agrega Zhu," Esto muestra que podemos impulsar la eficiencia de las células solares mucho más de lo que muchas personas creían posible ".
Después de demostrar esto, el equipo pasó a la siguiente pregunta: ¿qué tiene la estructura molecular de los HOIP que les da sus propiedades únicas? ¿Cómo evitan los defectos los electrones? Descubrieron que el mismo mecanismo que ralentiza el enfriamiento del electrónLa energía también protege a los electrones de chocar contra defectos. Esta "protección" hace que los HOIP hagan la vista gorda ante los defectos ubicuos en un material desarrollado a partir de la temperatura ambiente y el procesamiento de la solución, permitiendo así que un material imperfecto se comporte como un semiconductor perfecto.
Los HOIP contienen plomo y también son solubles en agua, lo que significa que las células solares podrían comenzar a disolverse y filtrar plomo en el medio ambiente a su alrededor si no se protegen cuidadosamente de los elementos.
Sabía que con la explicación de los misteriosos mecanismos que le dan a HOIPs sus eficiencias notables, los científicos de materiales probablemente podrían imitarlos con materiales más amigables con el medio ambiente.
"Ahora podemos regresar y diseñar materiales que sean ambientalmente benignos y realmente resuelvan este problema por el que todos están preocupados", dice Zhu. "Este principio permitirá a las personas comenzar a diseñar nuevos materiales para la energía solar".
El equipo de investigación fue encabezado por Haiming Zhu y Kiyoshi Miyata, dos becarios posdoctorales en Columbia. Otros miembros incluyen estudiantes de posgrado Jue Wang, Prakriti P. Joshi, Kristopher W. Williams y el postdoc Daniel Niesner, todos de Columbia; Yongping Fu y SongJin, colaboradores de la Universidad de Wisconsin-Madison; y el equipo fue dirigido por el profesor de química de Columbia Xiaoyang Zhu. Esta investigación recibió fondos del Departamento de Energía de los EE. UU. Y la Fundación Nacional de Ciencias.
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Materiales proporcionado por Universidad de Columbia . Nota: El contenido puede ser editado por estilo y longitud.
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