La eficiencia de una célula solar es uno de sus parámetros más importantes. Indica qué porcentaje de la energía solar radiada en la célula se convierte en energía eléctrica. El límite teórico para las células solares de silicio es del 29,3 por ciento debido a las propiedades físicas del material.En el diario Horizontes de materiales , investigadores de Helmholtz-Zentrum Berlin HZB y colegas internacionales describen cómo se puede abolir este límite. El truco: incorporan capas de moléculas orgánicas en la célula solar. Estas capas utilizan un proceso mecánico cuántico conocido como fisión de excitón singlete paradivide cierta luz energética fotones verde y azul de tal manera que la corriente eléctrica de la célula solar puede duplicarse en ese rango de energía.
El principio de una célula solar es simple: por partícula de luz incidente fotón se genera un par de portadores de carga excitón que consisten en un portador de carga negativo y positivo electrón y agujero. Estas dos cargas opuestas pueden moverse librementeen el semiconductor. Cuando alcanzan los contactos eléctricos selectivos de carga, uno solo permite el paso de cargas positivas y el otro solo cargas negativas. Por lo tanto, se genera una corriente eléctrica directa, que puede ser utilizada por un consumidor externo.
El equipo del investigador de HZB, Prof. Klaus Lips, da ahora una solución para construir la célula solar de tal manera que se usen ciertos fotones de alta energía para generar dos pares de portadores de carga simultáneamente. El efecto que usaron reside en algunos orgánicoscristales y se conoce como "fisión de excitón singlete" SF. Para que este efecto multiplicador sea posible, los pares de portadores de carga deben cumplir ciertas condiciones físicas cuánticas: todos sus giros deben ser paralelos, lo que significa pares de portadores de carga llamados excitón triplete.
Estos excitones triples son bastante duraderos y están muy unidos entre sí. El desafío consistía en separarlos en una interfaz con el silicio. Esto desenlaza los portadores de carga positiva y negativa, permitiéndoles contribuir a la corriente de la célula solar.
En un experimento pionero, los investigadores han demostrado que la división es posible ". Con la implementación exitosa de este concepto, podemos hacer una célula solar de silicio con una eficiencia cuántica máxima del 200 por ciento el doble del límite normal y un límite de eficiencia teóricode alrededor del 40 por ciento ", dice el Dr. Rowan MacQueen, un investigador australiano que se unió al equipo HZB hace dos años y se está dando cuenta de la célula solar multiplicadora del portador de carga en el HZB.
En el trabajo recientemente informado, los investigadores de HZB integraron una capa de 100 nanómetros de espesor de cristales de tetraceno con capacidad de fisión singlete en la superficie de una célula solar de silicio. Mediante investigaciones espectroscópicas, se detectaron pares de portadores de carga de triplete en la delgada capa de tetraceno,una firma de fisión de singlete: "El desafío era separar los pares de tripletas en la interfaz de silicio sin interrumpir significativamente el flujo de corriente de la célula solar de silicio", explica Klaus Lips, ya que una capa orgánica mal conductora limita con la capa de silicio que conduce bien.una situación que podría dificultar en gran medida el flujo de corriente.
La división tiene éxito con un conductor orgánico introducido adicionalmente llamado PEDOT: PSS, lo que significa que es necesaria otra capa orgánica. "Las interfaces juegan un papel especial en esta estructura", dice el Dr. MacQueen, por lo que los investigadores usaron luz de rayos X deel sincrotrón BESSY II @ HZB para estudiar las propiedades de la interfaz. Luego fabricaron una serie de células solares de silicio de tetraceno en funcionamiento. Un hallazgo clave fue que la adición de la capa orgánica no impedía el rendimiento eléctrico de la célula de silicio, lo cual es críticopara producir un dispositivo eficiente.
El rendimiento eléctrico de la primera célula solar de fisión singlete de silicio mostró que el tetraceno absorbe la porción azul-verde de la luz, mientras que los fotones de baja energía son absorbidos por el silicio. Mediante una simulación, los investigadores pudieron estimar que actualmente5-10 por ciento de los pares de tripletas generados en la capa de tetraceno podrían agregarse a la potencia de salida.
Para Klaus Lips, este es un gran éxito, pero ya está considerando realizar experimentos de seguimiento: "Con esta estructura de células solares, hemos demostrado que el enfoque funciona en principio y proporcionó un diseño de caballo de batalla. Y ya sabemos lo que tenemoshacer para aumentar el rendimiento de excitones triples separados hasta en un 200 por ciento "
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Materiales proporcionado por Helmholtz-Zentrum Berlin für Materialien und Energie . Nota: El contenido puede ser editado por estilo y longitud.
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