Científicos del Laboratorio Nacional de Energías Renovables (NREL – EE. UU.) informan que se ha desarrollado “la primera célula solar que produce una fotocorriente que tiene una eficiencia cuántica externa de más de 100 por ciento cuando es fotoexcitada con los fotones de la región de alta energía del espectro solar”.

La densidad total de los electrones (mostrada en verde) de un punto cuántico de arseniuro de galio, con sólo 465 átomos. (Imagen: Lin-Wang Wang)

Intentaremos explicar qué es esto:

La eficiencia cuántica externa de fotocorriente, que generalmente se expresa como un porcentaje, es el número de electrones que fluyen por segundo en el circuito externo de una célula solar, dividido entre el número de fotones por segundo de una energía específica (o longitud de onda) que entran en la célula solar. Ninguna de las células solares hasta la fecha muestran fotocorriente de eficiencia cuántica externa de más de 100 por ciento, a cualquier longitud de onda en el espectro solar.

La eficiencia cuántica externa alcanzó un valor máximo de 114 por ciento. Es un paso prometedor hacia el desarrollo de células solares de nueva generación para la electricidad de origen solar y de combustibles solares que serán aún más competitivos, o quizás menos costosa que la energía procedente de combustibles fósiles o nucleares.

Los puntos cuánticos del mismo material (aquí es seleniuro de cadmio) pero diferente tamaño emiten amplia gama de colores.

Un artículo sobre el descubrimiento aparece el 16 de diciembre en la revista Science bajo el título'Peak External Photocurrent Quantum Efficiency Exceeding 100 percent via MEG in a Quantum Dot Solar Cell', en el que participaron los científicos del NREL.

El mecanismo para la producción de una eficiencia cuántica por encima de 100 por ciento de los fotones solares se basa en un proceso conocido como “Multiple Exciton Generation” (MEG), en el que un solo fotón de energía absorbida suficientemente elevada, puede producir más de un par electrón-hueco por fotón absorbido.

Arthur J. Nozik, científico del NREL, predijo en una publicación de 2001 que la MEG sería más eficiente en puntos cuánticos semiconductores que en los semiconductores a granel. Los puntos cuánticos son pequeños cristales de semiconductores, con un tamaño de un nanómetro (nm) de 1-20 nm, donde 1 nm equivale a una mil millonésima de un metro.

El verde muestra el cambio en la respuesta de carga a la perturbación de un solo electrón tanto en una cantidad x de arseniuro de galio (a la izquierda) como en un punto cuántico de 465 átomos del mismo material (figura de la derecha); exceptro en la superficie, las respuestas de los dos sistemas son similares. (Imagen: Lin-Wang Wang)

Los puntos cuánticos, limitando los portadores de carga dentro de sus pequeños volúmenes, pueden cosechar el exceso de energía que de otro modo se perdería en forma de calor y por lo tanto, aumentar considerablemente la eficiencia de los fotones de la conversión en energía libre utilizable.

Los investigadores lograron el 114 por ciento de eficiencia cuántica externa con una celda en capas de anti-reflejos de vidrio recubiertos con una fina capa de un conductor transparente, una capa de óxido de zinc nanoestructurados, una capa de puntos cuánticos de seleniuro de plomo tratados con ethanedithol y la hidracina, y una fina capa de oro para el electrodo superior.

En una publicación de 2006, los científicos del NREL Mark Hanna y J. Arthur Nozik mostraron que la MEG ideal en las células solares basadas en puntos cuánticos podría aumentar el poder teórico termodinámico, esto es, la eficiencia de conversión de células solares en aproximadamente un 35 por ciento en relación con las células solares convencionales de hoy en día. Por otra parte, la fabricación de células solares de punto cuántico es también susceptible de bajar costes.

A continuación, vídeo de una conferencia de presentación de la evolución del proyecto fotovoltaico: