Este sensor de luz de "Harry Potter" alcanza una eficiencia mágica del 200 por ciento
Riccardo Ollearo, de la Universidad Tecnológica de Eindhoven, ha creado un fotodiodo con una sensibilidad con la que muchos sólo pueden soñar.
Los paneles solares con múltiples células apiladas están batiendo récords. Un equipo de investigadores de la Universidad Tecnológica de Eindhoven y del Centro Holst de la TNO ha conseguido fabricar fotodiodos basados en una tecnología similar con un rendimiento de fotoelectrones superior al 200%. Podría pensarse que un rendimiento superior al 100% sólo es posible mediante la alquimia y otras técnicas de magia similares a las de Harry Potter. Pero es posible. La respuesta está en el mágico mundo de la eficiencia cuántica y las células solares apiladas.
René Janssen, profesor de la Universidad Tecnológica de Eindhoven y coautor de un nuevo artículo de Science Advances, lo explica. "Lo sé, parece increíble. Pero no estamos hablando de la eficiencia energética normal. Lo que cuenta en el mundo de los fotodiodos es la eficiencia cuántica. En lugar de la cantidad total de energía solar, cuenta el número de fotones que el diodo convierte en electrones.
Siempre lo comparo con los días en que aún teníamos florines y liras. Si un turista de los Países Bajos hubiera recibido sólo 100 liras por sus 100 florines durante sus vacaciones en Italia, se habría sentido un poco defraudado. Pero como, en términos cuánticos, cada florín equivale a una lira, la eficacia sigue siendo del 100%. Esto también es válido para los fotodiodos: cuanto mejor sea capaz el diodo de detectar señales luminosas débiles, mayor será su eficiencia".
Podría pensarse que una eficiencia superior al 100% sólo es posible mediante la alquimia y otras técnicas de magia similares a las de Harry Potter. Pero es posible. La respuesta está en el mágico mundo de la eficiencia cuántica y las células solares apiladas (imagen simbólica).
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Detalles del fotodiodo utilizado en la configuración experimental.
TU/e | Bart van Overbeeke
Corriente oscura
Los fotodiodos son dispositivos semiconductores sensibles a la luz que producen una corriente cuando absorben fotones de una fuente luminosa. Se utilizan como sensores en una gran variedad de aplicaciones, entre ellas la medicina, la monitorización portátil, la comunicación por luz, los sistemas de vigilancia y la visión artificial. En todos estos ámbitos, una alta sensibilidad es clave.
Para que un fotodiodo funcione correctamente, debe cumplir dos condiciones. En primer lugar, debe minimizar la corriente que se genera en ausencia de luz, la llamada corriente oscura. Cuanto menor sea la corriente oscura, más sensible será el diodo. En segundo lugar, debe ser capaz de distinguir el nivel de luz de fondo (el "ruido") de la luz infrarroja relevante. Por desgracia, estas dos cosas no suelen ir juntas, sino todo lo contrario.
Tándem
Hace cuatro años, Riccardo Ollearo, uno de los estudiantes de doctorado de Janssen y autor principal del artículo, se propuso resolver este enigma. En su investigación unió fuerzas con el equipo de fotodetectores que trabaja en el Holst Centre, un instituto de investigación especializado en tecnologías de sensores inalámbricos e impresos. Ollearo construyó el llamado diodo tándem, un dispositivo que combina células fotovoltaicas orgánicas y de perovskita.
Combinando estas dos capas -una técnica también cada vez más utilizada en las células solares de última generación- consiguió optimizar ambas condiciones, alcanzando una eficiencia del 70%.
"Impresionante, pero no suficiente", dice este joven y ambicioso investigador italiano. "Decidí ver si podía aumentar aún más la eficiencia con la ayuda de la luz verde. Sabía por investigaciones anteriores que iluminar las células solares con luz adicional puede modificar su eficiencia cuántica y, en algunos casos, aumentarla. Para mi sorpresa, esto funcionó incluso mejor de lo esperado al mejorar la sensibilidad del fotodiodo. Pudimos aumentar la eficiencia de la luz infrarroja cercana hasta más del 200%".
Misterio
A estas alturas, los investigadores aún no saben exactamente cómo funciona, aunque han elaborado una teoría que podría explicar el efecto.
"Creemos que la luz verde adicional provoca una acumulación de electrones en la capa de perovskita. Esto actúa como una reserva de cargas que se libera cuando los fotones infrarrojos son absorbidos en la capa orgánica", dice Ollearo. "En otras palabras, cada fotón infrarrojo que atraviesa y se convierte en un electrón, recibe la compañía de un electrón extra, lo que lleva a una eficiencia del 200% o más. Es como recibir dos liras por un florín en lugar de una".
Poner a prueba el diodo
El investigador probó en el laboratorio el fotodiodo, que es cien veces más fino que una hoja de papel de periódico y adecuado para su uso en dispositivos flexibles. "Queríamos ver si el dispositivo podía captar señales sutiles, como la frecuencia cardíaca o respiratoria de un ser humano en un entorno con luz de fondo realista. Optamos por un escenario interior, durante un día soleado con las cortinas parcialmente cerradas. Y funcionó".
Sujetando el dispositivo a 130 cm de un dedo, los investigadores pudieron detectar cambios minúsculos en la cantidad de luz infrarroja que se reflejaba en el diodo. Estos cambios resultan ser una indicación correcta de los cambios en la presión sanguínea de las venas de una persona, que a su vez indican la frecuencia cardiaca. Al apuntar el dispositivo al pecho de la persona, pudieron medir la frecuencia respiratoria a partir de los movimientos de la luz en el tórax".
Futuro
Con la publicación del artículo en Science Advances, el trabajo de Ollearo está prácticamente terminado. Defenderá su tesis el 21 de abril. Entonces, ¿la investigación acaba aquí?
"No, desde luego que no. Queremos ver si podemos mejorar aún más el dispositivo, por ejemplo haciéndolo más rápido", dice Janssen. "También queremos explorar si podemos probar clínicamente el dispositivo, por ejemplo en colaboración con el proyecto FORSEE".
El proyecto FORSEE, dirigido por la investigadora de TU/e Sveta Zinger y en colaboración con el Hospital Catharina de Eindhoven, está desarrollando una cámara inteligente capaz de observar la frecuencia cardíaca y respiratoria de un paciente.
Esperemos que los investigadores de TU/e y TNO sigan demostrando que no hace falta ser Harry Potter para lograr asombrosas proezas científicas.
Nota: Este artículo ha sido traducido utilizando un sistema informático sin intervención humana. LUMITOS ofrece estas traducciones automáticas para presentar una gama más amplia de noticias de actualidad. Como este artículo ha sido traducido con traducción automática, es posible que contenga errores de vocabulario, sintaxis o gramática. El artículo original en Inglés se puede encontrar aquí.
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