21.07.2021 - Martin-Luther-Universität Halle-Wittenberg (MLU)

Células solares: Una capa de tres cristales produce mil veces más energía

El resultado sorprendió incluso al grupo de investigación

El efecto fotovoltaico de los cristales ferroeléctricos puede multiplicarse por 1.000 si se disponen periódicamente tres materiales diferentes en una red. Así lo ha revelado un estudio realizado por investigadores de la Universidad Martin Luther de Halle-Wittenberg (MLU). Lo consiguieron creando capas cristalinas de titanato de bario, titanato de estroncio y titanato de calcio que colocaron alternativamente una encima de otra. Sus hallazgos, que podrían aumentar considerablemente la eficiencia de las células solares, se publicaron en la revista "Science Advances".

En la actualidad, la mayoría de las células solares se basan en el silicio; sin embargo, su eficiencia es limitada. Esto ha llevado a los investigadores a examinar nuevos materiales, como los ferroeléctricos, por ejemplo el titanato de bario, un óxido mixto de bario y titanio. "Ferroeléctrico significa que el material tiene cargas positivas y negativas separadas espacialmente", explica el físico Akash Bhatnagar, del Centro de Competencia en Innovación SiLi-nano de la MLU. "La separación de cargas da lugar a una estructura asimétrica que permite generar electricidad a partir de la luz". A diferencia del silicio, los cristales ferroeléctricos no requieren la llamada unión pn para crear el efecto fotovoltaico, es decir, no hay capas dopadas positiva y negativamente. Esto facilita mucho la producción de los paneles solares.

Sin embargo, el titanato de bario puro no absorbe mucha luz solar y, en consecuencia, genera una fotocorriente comparativamente baja. Las últimas investigaciones han demostrado que la combinación de capas extremadamente finas de diferentes materiales aumenta considerablemente el rendimiento de la energía solar. "Lo importante aquí es que un material ferroeléctrico se alterna con un material paraeléctrico. Aunque este último no tiene cargas separadas, puede convertirse en ferroeléctrico en determinadas condiciones, por ejemplo a bajas temperaturas o cuando se modifica ligeramente su estructura química", explica Bhatnagar.

El grupo de investigación de Bhatnagar descubrió que el efecto fotovoltaico aumenta considerablemente si la capa ferroeléctrica se alterna no sólo con una, sino con dos capas paraeléctricas diferentes. Yeseul Yun, estudiante de doctorado de la MLU y primer autor del estudio, explica: "Incrustamos el titanato de bario entre el titanato de estroncio y el titanato de calcio. Esto se consiguió vaporizando los cristales con un láser de alta potencia y volviéndolos a depositar en sustratos portadores. Así se obtuvo un material formado por 500 capas de unos 200 nanómetros de grosor".

Al realizar las mediciones fotoeléctricas, el nuevo material fue irradiado con luz láser. El resultado sorprendió incluso al grupo de investigación: en comparación con el titanato de bario puro de un grosor similar, el flujo de corriente era hasta 1.000 veces mayor, y ello a pesar de que la proporción de titanato de bario como principal componente fotoeléctrico se había reducido en casi dos tercios. "La interacción entre las capas de la red parece dar lugar a una permitividad mucho mayor, es decir, los electrones pueden fluir mucho más fácilmente debido a la excitación de los fotones de luz", explica Akash Bhatnagar. Las mediciones también demostraron que este efecto es muy robusto: se mantuvo casi constante durante un periodo de seis meses.

Ahora hay que seguir investigando para averiguar exactamente la causa del extraordinario efecto fotoeléctrico. Bhatnagar confía en que el potencial demostrado por el nuevo concepto pueda utilizarse para aplicaciones prácticas en paneles solares. "La estructura de capas muestra un mayor rendimiento en todos los rangos de temperatura que los ferroeléctricos puros. Además, los cristales son mucho más duraderos y no requieren un embalaje especial".

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