Ingenieros del MIT proponen una nueva manera de aprovechar los fotones para electricidad, con el potencial de utilizar un espectro más amplio de la energía solar.

Visualización del embudo de energía solar de amplio espectro (crédito: Yan Liang/MIT)

Visualización del embudo de energía solar de amplio espectro (crédito: Yan Liang/MIT)

La búsqueda para aprovechar un espectro más amplio de la luz solar para producir electricidad ha tomado un giro radicalmente distinto, con la propuesta de un “embudo de energía solar” que utilizaría materiales bajo tensiones y deformaciones elásticas.

“Estamos tratando de utilizar tensiones/deformaciones elásticas para producir propiedades no conocidas”, indicó Ju Li, profesor del MIT. En este caso, el “embudo” es una metáfora: Electrones y sus contrapartes, agujeros  -separados de los átomos por la energía de los fotones-  son llevados al centro de la estructura por medio de fuerzas electrónicas, no por medio de gravedad.

La presión ejercida ocasiona deformaciones elásticas, que se hace mayor hacia el centro. La deformación cambiante ocasiona el cambio justo en la estructura para “ajustar” sección distintas a diferentes longitudes de onda de luz  -lo que incluye no sólo luz visible sino partes de su espectro invisible, que significaría mucha más energía solar.

Li, profesor de ciencia de materiales e ingeniería, ve la manipulación de tensión en materiales como una puerta de ingreso a un nuevo campo de investigación.

La tensión o deformación  -definida como empujar y jalar un material para conformar cierta forma-  puede ser elástica o no elástica. Xiaofeng Qian, co-autor del artículo, explica que la tensión elástica corresponde a uniones atómicas estiradas (o extendidas), mientras que la tensión no elástica, o plástica, corresponde a uniones atómicas intercambiadas o rotas. Un resorte que es estirado y liberado es un buen ejemplo de tensión o deformación elástica, mientras que el papel arrugado de aluminio lo es de tensión no elástica (plástica).

El nuevo embudo solar funciona utilizando precisamente tensión elástica controlada para gobernar el potencial de los electrones en el material. El equipo del MIT utilizó modelado de computadora para determinar los efectos de la tensión sobre una capa delgada de disulfuro de molibdeno (MoS2), un material que puede formar una capa de una sola molécula (cerca de seis angstroms*) de grueso

El resultado fue la tensión/deformación elástica, y por consiguiente el cambio inducido en la energía potencial de los electrones, cambió con la distancia del centro del embudo  -muy similar al electrón en el átomo de hidrógeno, sólo que este “átomo artificial” es mucho más grande en tamaño y es de dos dimensiones. Los investigadores esperan realizar experimentos de laboratorio para confirmar este efecto.

A diferencia del grafene, este otro prominente material delgado, MoS2, es un semiconductor natural. Tiene una característica crucial, conocida como bandgap, que permite integrarse en celdas solares y circuitos integrados. Pero, a diferencia del silicio, utilizado en la actualidad en la mayoría de celdas solares, colocar la capa (una delgada película) bajo tensión en la configuración de “embudo de energía solar” ocasiona que su bandgap sea variable en toda la superficie, por lo que diferentes partes de la capa responderá a diferentes colores de luz.

En una celda solar orgánica, el par electrón-agujero, llamado excitón, se mueve al azar a través del material después de ser generados por un fotón, limitando la capacidad de producción de energía. “Es un proceso de difusión”, dice Qian, “y es muy ineficiente”.

Sin embargo, en el embudo solar, añade, las características electrónicas del material “los lleva a un sitio de recolección (el centro de la capa/película) que debe ser mucho más eficiente para obtener la carga”.

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* El ångström (símbolo Å1 ) es una unidad de longitud empleada principalmente para expresar longitudes de onda, distancias moleculares y atómicas, etc. Se representa por la letra sueca Å. Su nombre proviene del nombre del físico sueco Anders Jonas Ångström. 1 Å = 1 x 10-10 m = 0,1 nm (Wikipedia)

Palabras más populares:

  • los efectos de los materiales y la forma de aprovecharlos