Impulsando la energía solar: los investigadores de Duke están explorando formas de mejorar los paneles

¿Por qué no se utiliza más la energía solar? Después de todo, las células fotovoltaicas generan electricidad a partir de la luz solar, un recurso gratuito y esencialmente infinito.

Una razón es que las células fotovoltaicas actuales son relativamente ineficientes. Producen sólo alrededor de una cuarta parte de la energía que reciben del sol. Si se pudiera mejorar esa eficiencia, los paneles solares podrían ocupar menos espacio y al mismo tiempo producir más electricidad.

"Al fin y al cabo, el desafío de la energía solar es la eficiencia", afirma Adrienne Stiff-Roberts, PhD, profesor Jeffrey N. Vinik de ingeniería eléctrica e informática. "Si las células solares son más eficientes, entonces la tecnología es menos costosa [por unidad de electricidad producida] y estamos hablando de que la energía renovable reemplaza las fuentes de energía basadas en el carbono".

En Duke, Stiff-Roberts y sus colegas están trabajando en una nueva tecnología fotovoltaica que algún día podría capturar más energía de la luz solar.

Una forma de aumentar la eficiencia de las células solares es cambiar su composición química. Las células solares actuales utilizan silicio, un elemento inorgánico que es duradero, excelente para transportar cargas eléctricas y satisfactorio para absorber energía luminosa. Ciertas moléculas orgánicas, por otro lado, son excelentes para absorber la energía luminosa, pero pueden degradarse rápidamente en presencia de humedad y oxígeno.

Los beneficios de las moléculas orgánicas van más allá de sus propiedades de absorción de luz. "Un químico orgánico puede diseñar moléculas orgánicas que tengan todo tipo de funciones", dice Stiff-Roberts. "Pueden ser flexibles".

La combinación de compuestos orgánicos e inorgánicos en una sola célula solar, afirma Stiff-Roberts, podría ofrecer "lo mejor de ambos mundos". Pero trabajar con este tipo de materiales híbridos no es fácil.

Por un lado, el material híbrido debe depositarse como una película, de nanómetros de espesor, que funcione como semiconductor. Los semiconductores de película delgada ya son omnipresentes en los dispositivos que utilizamos todos los días, como teléfonos móviles, ordenadores y televisores. Pero a menudo esos semiconductores están hechos de minerales inorgánicos. La técnica mediante la cual se depositan en películas delgadas no funciona para compuestos orgánicos.

Hay formas de depositar moléculas orgánicas en una película delgada, pero o solo funcionan para moléculas orgánicas pequeñas o tienen el desafío de depositar múltiples capas necesarias para las células solares.

Ahora, Stiff-Roberts y su equipo han desarrollado y demostrado una técnica para depositar materiales híbridos hechos de compuestos orgánicos grandes e inorgánicos. "Mi grupo aportó un enfoque novedoso que es fundamentalmente diferente de lo que todos los demás estaban haciendo", dice.

“Nuestra declaración es muy gentil. La [molécula orgánica] se transfiere de la fuente al sustrato sin cambios”.

Stiff-Roberts desafió los procesos tradicionales al hacer una emulsión (piense en aceite y vinagre) con moléculas orgánicas suspendidas como gotas de aceite en agua. Esto evita que las moléculas grandes se rompan durante la deposición.

Recientemente, la Fundación Nacional de Ciencias le otorgó $1 millones como becaria BRITE para investigar la viabilidad de ampliar su técnica de laboratorio para la deposición de películas delgadas de materiales híbridos para que su fabricación sea comercialmente viable.

Uno de los materiales híbridos más prometedores que buscan los investigadores solares es la perovskita, un mineral natural que ha sido manipulado para aceptar moléculas orgánicas en su estructura cristalina. Las moléculas orgánicas quedan atrapadas en la red cristalina como mantequilla en los huecos de un gofre.

La eficiencia de las células solares híbridas experimentales de perovskita ha aumentado a pasos agigantados durante la última década, mejorando mucho más rápidamente que las tecnologías solares convencionales y otras tecnologías solares experimentales. "Eso ha estimulado todo tipo de inversiones e investigaciones en este espacio", afirma Stiff-Roberts, que ya ha demostrado que su técnica funciona con perovskitas híbridas de película fina.

Stiff-Roberts colabora estrechamente con colegas de ingeniería de Duke, incluido el teórico Volker Blum, profesor asociado de ingeniería mecánica y ciencia de materiales, y el diseñador de materiales David Mitzi, profesor de ingeniería mecánica y ciencia de materiales de la familia Simon en la Universidad de Duke.

Los tres forman parte de un centro nacional, financiado por el Departamento de Energía y con sede en el Laboratorio Nacional de Energía Renovable, que investiga las propiedades fundamentales de las perovskitas y otros materiales híbridos.

"Hay muchas cosas sobre estos materiales que no entendemos", dice Stiff-Roberts, "y si no comprendes el material, no puedes mejorarlo ni controlarlo para fabricar mejores dispositivos".

Sin embargo, fabricar un dispositivo mejor es sólo el primer paso. Stiff-Roberts dice que la transición de los combustibles fósiles a las energías renovables requerirá la participación de múltiples disciplinas, no sólo la ciencia y la ingeniería, sino todas, desde la política hasta la economía. Ella encuentra que los estudiantes de pregrado y posgrado de Duke se sumergen en estos problemas con entusiasmo, a menudo en entornos multidisciplinarios, como los equipos Bass Connections en todo el campus o el Instituto Nicholas de Energía, Medio Ambiente y Sostenibilidad.

“Si quieres resolver los problemas de las energías renovables”, afirma, “todo está relacionado. Y Duke tiene experiencia en todos estos aspectos más amplios. Ahí es donde Duke tiene algo único que ofrecer”.

(C) Universidad de Duke

Fuente del artículo original: WRAL TechWire