En un momento en el que las energías renovables adquieren cada vez más importancia, producir módulos solares ligeros, eficientes y rentables es sin duda el “Santo Grial” de la investigación científica actual. Ahora algunos investigadores de la Universidad de Cambridge Acabas de descubrir un secreto cuántico que ha estado oculto durante más de un siglo.con resultados que podrían cambiar completamente la forma en que capturamos la luz solar y la convertimos en electricidad.
Inesperadamente. El avance surge de una fenómeno cuántico observado en un material orgánico llamado P3TTM, un Molécula radical de espínes decir, tiene un electrón único y desapareado del resto, al que podemos llamar “asocial”. Este material se utiliza normalmente en tecnologías orgánicas de emisión de luz (como los LED) debido a su intensa luminosidad y estabilidad química.
Lo sorprendente en este caso es que cuando muchas de estas moléculas se agrupan en una fina película, sus electrones desapareados interactúan entre sí de una manera muy especial. Y en lugar de ignorarse unos a otros, se organizan en un patrón alterno (arriba-abajo), un comportamiento cuántico conocido como Aislador Mott-Hubbardalgo que hasta ahora se ha asociado principalmente con óxidos metálicos inorgánicos.
Biwen Li, investigador principal del Laboratorio Cavendish, lo describe como “verdadera magia”. Cuando se absorbe la luz, uno de estos electrones salta a una molécula vecina e inmediatamente crea una carga positiva y otra negativa. Estas cargas separadas son esencialmente electricidad lista para ser cosechada.
La revolución. La mayoría de los paneles solares orgánicos actuales funcionan como un sándwich. Se necesitan dos materiales diferentes: uno que «da» electrones cuando la luz incide sobre él y otro que los «acepta». Esta conexión o heteroconexión es importante, pero también es fuente de ineficiencia porque complica significativamente la fabricación del equipo.
El descubrimiento de Cambridge lo cambia todo. El P3TTM realiza todo el proceso por sí solo. No necesita un socio. La separación de cargas ocurre entre moléculas idénticas, un proceso llamado “homounión”, que abre la puerta a la eficiencia que ha sido el objetivo de muchas investigaciones energéticas.
Cómo funciona. Si miramos la parte técnica, podemos ver que las películas P3TTM se fabrican mediante técnicas de evaporación térmica y se encapsulan para su protección. Los análisis espectroscópicos controlados por tiempo revelan dos emisores: uno a 645 nm debido al excitón del radical y otro con emisión tardía y corrimiento al rojo (~800 nm), que se debe a la recombinación de pares de carga separados después del proceso de transferencia de carga.
La eficiencia de recolección con polarización invertida alcanza el 100%, lo que sugiere que prácticamente cada fotón se convierte en un electrón que puede usarse para generar electricidad, algo nunca antes logrado en materia orgánica.
La prueba. Para probar esto, el equipo construyó una célula solar con una fina capa de P3TTM y logró una eficiencia de recolección de carga de casi el 100% al iluminarla. Esto significa que casi todos los fotones de luz que incidieron en el material se convirtieron en corriente eléctrica utilizable.
La historia. La teoría subyacente a este descubrimiento, la teoría de los aislantes de Mott-Hubbard, fue desarrollada por Sir Nevill Mott, un gigante de la física de la materia condensada. Publicado ahora en el 120 aniversario del nacimiento de Mott, este trabajo de Cambridge rinde homenaje al legado del hombre que sentó las bases para la comprensión de los fenómenos electrónicos en los semiconductores que ahora podemos utilizar.
El futuro. Este no es sólo un pequeño paso adelante. Es un cambio de paradigma. «No nos limitamos a mejorar diseños antiguos», afirma el profesor Bronstein. «Estamos escribiendo un nuevo capítulo en los libros de texto y demostrando que los materiales orgánicos pueden generar cargas por sí mismos», subraya.
El impacto que ahora estamos a punto de ver podría ser enorme. Podríamos estar asistiendo al nacimiento de una nueva generación de tecnología solar: paneles fabricados a partir de un único material, económico, ligero y flexible, que se puede integrar en cualquier superficie, desde las ventanas hasta la ropa. Todavía queda un largo camino por recorrer antes de un producto comercial, pero el secreto cuántico que revelaron en Cambridge acaba de revelar un futuro energético mucho mejor y más simple.
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