Energía solar supereficiente gracias a nanotubos

Las células solares actuales pierden gran parte de la energía de la luz por culpa del calor. Un equipo de investigadores de la Universidad Cornell acaba de crear una célula fotovoltaica a partir de un único nanotubo de carbono capaz de sacar mayor partido a la energía contenida en la luz que los dispositivos fotovoltaicos convencionales. Los diminutos tubos de carbono puede que se utilicen en el futuro para fabricar una nueva generación de células solares más eficientes.

“El factor limitador principal en las células solares es que al absorber un fotón de alta energía, se pierde parte de la energía a través del calor, y no hay forma de recuperarla,” afirma Matthew Beard, científico senior en el Laboratorio Nacional de Energía Renovable en Golden, Colorado. La pérdida de energía por calor limita la eficiencia de las mejores células solares en alrededor de un 33 por ciento. “El material que sea capaz de hacer conversiones con una eficiencia mucho mayor será el material que cambie las reglas del juego,” señala Beard.

En primer lugar, los científicos dirigidos por Paul McEuen, profesor de física en Cornell, colocaron un único nanotubo en un circuito y le dieron tres contactos eléctricos llamados puertas, uno a cada extremo y otro por debajo. Utilizaron estas puertas para aplicar un voltaje a través del nanotubo, y después lo iluminaron con luz. Cuando un fotón alcanza al nanotubo, transfiere parte de su energía a un electrón, que después fluye a lo largo del circuito y sale del nanotubo. Este proceso de un fotón y un electrón es lo que normalmente ocurre en las células solares. Lo que es poco usual acerca de la célula de nanotubo, señala McEuen, es lo que ocurre cuando colocas lo que él llama “un fotón grande”—un fotón cuya energía es dos veces la energía requerida para expulsar a un electrón de la célula. En las células convencionales, esta es la energía que se pierde en forma de calor. En el dispositivo con el nanotubo, lo que hace es empujar a otro electrón al circuito. Este estudio ha sido descrito la semana pasada en Science.

Hay evidencia de que otra clase de nanomateriales llamados puntos cuánticos también pueden convertir la energía de un fotón en más de un electrón. Sin embargo, hasta ahora no ha sido fácil lograr construir células de puntos cuánticos operacionales que puedan llevar a cabo esta operación, según afirma Beard, cuyo laboratorio, dirigido por Arthur Nozik, está trabajando para solucionar ese problema. Uno de los retos con los puntos cuánticos aplicados a la energía solar es que es muy difícil hacer que los electrones liberados salgan del punto cuántico y entren en el circuito externo. “El sistema te engaña; no te deja sacar la carga, ¿así que para qué molestarse?” afirma Ji Ung Lee, profesor de ingeniería a nanoescala en la Universidad Estatal de Nueva York en Albany. “El grupo de McEuen ha demostrado todo esto en un sistema que te permite sacar las cargas adicionales.”

McEuen advierte que su trabajo con elementos fotovoltaicos de nanotubos de carbono es fundamental. “Hemos creado la célula solar más pequeña del mundo, y no es algo que sea necesariamente bueno,” afirma. Para sacar partido de la supereficiencia de los nanotubos, los investigadores tendrán que, en primer lugar, desarrollar una serie de métodos para fabricar grandes series de diodos. “No estamos en un punto en el que podamos escalar los nanotubos de carbono, aunque ese debería ser nuestro objetivo final,” señala Lee, que desarrolló los primeros diodos de nanotubos en su época de investigador en General Electric.

No está claro por qué las células fotovoltaicas de nanotubos ofrecen este tipo de conversión energética dos-por-uno. “Para nosotros es un misterio,” afirma McEuen. Sin embargo, la razón más probable es que mientras que los materiales solares convencionales sólo tienen un nivel de energía para que los electrones se muevan a través de él, los nanotubos de carbono tienen varios. Y hay dos de ellos que hacen muy buena pareja: uno de los niveles de energía, o bandas prohibidas, es el doble de alto que el otro. “Puede que simplemente tengamos mucha suerte y que no tenga nada que ver con el hecho de que sean nanotubos de carbono,” afirma McEuen. Esto significa, según espera McEuen, que incluso si la construcción en serie de células solares de nanotubos resulta muy complicada, los científicos de materiales podrían buscar parejas de materiales que tuviesen este tipo de bandas prohibidas complementarias, y usarlos para crear células solares que llevasen a cabo, con dos materiales, lo que las células de nanotubos hacen con un solo material. “Quizá la respuesta no esté en los nanotubos, sino en otro par de materiales distintos,” señala McEuen.