Existe un techo teórico bien conocido en el mundo de la energía solar: una célula fotovoltaica convencional puede convertir en electricidad, como máximo, alrededor de un tercio de toda la luz solar que recibe. Parte de esa pérdida ocurre porque los fotones más energéticos del espectro solar generan electrones «calientes», cargados con más energía de la que el material puede aprovechar, y esa energía extra se disipa en forma de calor casi de inmediato, antes de que el sistema pueda convertirla en electricidad utilizable.
Un electrón que dura de más
Un equipo de la Universidad de Groningen, en los Países Bajos, encontró una forma de frenar drásticamente esa pérdida. En los materiales solares habituales, los electrones calientes se enfrían en apenas picosegundos (billonésimas de segundo). El laboratorio de Maria Antonietta Loi, profesora de fotofísica y optoelectrónica, trabajó con un material de perovskita basada en estaño y observó que esa pérdida de energía se extendía hasta el rango de los nanosegundos (milmillonésimas de segundo), una demora unas 1.000 veces mayor a la habitual, según la Universidad de Groningen.
El material que desconcertó al propio equipo
El resultado fue tan inusual que generó dudas incluso dentro del propio grupo de investigación. «Las mediciones eran claras, pero no entendíamos la física detrás de esto», reconoció Jan Anton Koster, profesor de Física de Semiconductores y Dispositivos Novedosos en Groningen y coautor del estudio, publicado en la revista ACS Energy Letters. «Llegamos a dudar de las propias mediciones», admitió. Para resolver el misterio, Koster y el estudiante de doctorado Tim Faber recurrieron a simulaciones computacionales que reconstruyeran el comportamiento físico de los electrones dentro del material, buscando una explicación que justificara lo que el laboratorio de Loi venía registrando de forma experimental.
Dos mecanismos trabajando en equipo
Las simulaciones revelaron que dos procesos físicos distintos actúan de forma conjunta. El primero, conocido como cuello de botella de fonones calientes, ocurre porque la energía que libera el electrón calienta de inmediato el entorno inmediato del material, y ese calor puede ser reabsorbido parcialmente por el propio electrón, frenando su enfriamiento. El segundo es el efecto Burstein-Moss: a medida que los electrones van perdiendo energía, ocupan los niveles energéticos más bajos disponibles, y cuando esos lugares ya están completos, los electrones calientes que llegan después encuentran menos espacio disponible para descender y liberar su propia energía, algo parecido a lo que ocurre cuando los primeros pasajeros de un avión ocupan las filas delanteras y los siguientes se ven obligados a avanzar hacia atrás. Ninguno de los dos mecanismos por separado explicaba la magnitud del retraso observado; combinados, sí.
Lo que falta para llegar a un panel real
El hallazgo todavía está lejos de convertirse en un panel solar comercial. Si algún dispositivo lograra extraer la energía de estos electrones calientes antes de que se disipe como calor residual, una célula solar podría generar más electricidad a partir de la misma cantidad de luz, superando el límite teórico del 33% que rige a la tecnología actual. Pero pasar de un efecto medido en un material de laboratorio a un mecanismo capaz de capturar y aprovechar esa energía extra dentro de un dispositivo funcional todavía exige resolver varias preguntas abiertas, algo que el propio equipo reconoce como el próximo gran desafío de esta línea de investigación.
