Una célula solar orgánica del Institut de Ciències Fotòniques (ICFO) aumentó su eficiencia alrededor de un 0,85% al reducir la luz que emite en ángulos amplios. El resultado experimental es modesto; la proyección que propone el equipo, en cambio, apunta a que esta estrategia podría llevar la eficiencia de las células de unión única hacia el 43% en teoría, por encima del límite de Shockley-Queisser, situado en el 33,16%.
La idea no consiste en capturar más luz mediante una nueva combinación de materiales, sino en controlar mejor la que la célula devuelve al exterior. Para hacerlo, los investigadores sustituyeron el electrodo frontal habitual de óxido de indio y estaño por una capa fina de plata y configuraron el dispositivo como una cavidad óptica. La estructura deja entrar la radiación solar y restringe parte de la emisión en ángulos amplios.
El trabajo se publicó en Energy & Environmental Science. La diferencia entre el pequeño avance medido y el potencial teórico es central: el estudio demuestra experimentalmente una vía para reducir una pérdida concreta, pero no presenta un panel comercial con una eficiencia cercana al 43%.
Una pérdida distinta del calor
En una célula fotovoltaica, la energía absorbida no acaba toda convertida en electricidad. Una parte se disipa como calor y otra se pierde cuando el material vuelve a emitir luz. El equipo del ICFO se centró en esta segunda vía, conocida como pérdida de Boltzmann, que limita el voltaje y la eficiencia que puede alcanzar el dispositivo.
El problema está relacionado con la diferencia entre los ángulos por los que llega la luz solar y aquellos en los que una célula puede emitir fotones. La radiación entrante ocupa un rango angular relativamente estrecho; la emisión, uno mucho más amplio. Según la explicación de pv magazine Global, esa disparidad aumenta la entropía asociada a la emisión y reduce el rendimiento máximo posible.
La investigación del ICFO buscó estrechar el cono de emisión para aproximarlo al de absorción. El equipo no pretende impedir que la célula absorba luz solar: el objetivo es mantener esa entrada y, a la vez, reducir la cantidad de fotones que escapan hacia ángulos amplios. El enfoque difiere de los intentos más habituales de mejorar la eficiencia, centrados en las pérdidas térmicas o en los materiales capaces de absorber distintas partes del espectro.
Plata y cavidad óptica en una célula orgánica
El dispositivo estudiado fue una célula solar orgánica invertida basada en una mezcla PM6, según pv magazine Global. En lugar del electrodo frontal de óxido de indio y estaño, los investigadores incorporaron una capa delgada de plata. Combinada con otro electrodo de plata en la parte posterior y con capas intermedias, forma una cavidad óptica.
La plata frontal cumple dos funciones: conduce la electricidad y refleja con fuerza la luz que intenta salir en ángulos amplios. Al mismo tiempo, la configuración conserva una transmisión elevada en la dirección de la luz solar incidente. El diseño, por tanto, no es simplemente un espejo que bloquea la radiación: busca discriminar entre la luz que entra y la que el dispositivo emite.
Engadget describe el resultado como una célula que todavía permite la entrada de luz solar, pero que emite menos en ángulos abiertos. La eficiencia aumentó aproximadamente un 0,85%. Ese dato corresponde al ensayo descrito y no debe confundirse con la cifra del 43%, que es una estimación sobre lo que podría lograrse si se estrechara más el cono de emisión.
Francisco Bernal Texca, primer autor del estudio, explicó en un comunicado del ICFO: «Si el cono de emisión puede estrecharse para ajustarse más al cono de absorción de la luz solar entrante, que es exactamente lo que nuestro trabajo demuestra experimentalmente, las células solares podrán, en principio, acercarse a eficiencias próximas al 43%».
Si el cono de emisión puede estrecharse para ajustarse más al cono de absorción de la luz solar entrante, que es exactamente lo que nuestro trabajo demuestra experimentalmente, las células solares podrán, en principio, acercarse a eficiencias próximas al 43%.
— Dr. Francisco Bernal Texca, primer autor del estudio
Del límite teórico a los paneles actuales
El 33,16% es el límite teórico de Shockley-Queisser citado para una célula solar de unión única. No equivale a la eficiencia de los paneles que se instalan hoy: Engadget sitúa el rendimiento habitual de los paneles de consumo entre el 20% y el 23%. La proyección del ICFO plantea que controlar la emisión podría abrir una vía para rebasar aquel techo teórico convencional, no que los paneles domésticos vayan a alcanzar de inmediato esa cifra.
El alcance potencial es más amplio que la célula orgánica del experimento. Engadget señala que el principio debería aplicarse a distintas clases de células fotovoltaicas, y pv magazine Global considera que la cavidad podría integrarse en dispositivos solares con una estructura relativamente sencilla, sin elevar de forma significativa la complejidad de fabricación. La extensión a otras tecnologías, sin embargo, es una posibilidad planteada por los investigadores, no un resultado demostrado para cada tipo de célula.
Si una tecnología de este tipo llegara a trasladarse a productos comerciales, obtener más electricidad por unidad de superficie podría reducir la cantidad de material y terreno necesarios para una capacidad instalada determinada, según pv magazine Global. Engadget también apunta a posibles beneficios para paneles solares de consumo, incluidos los sistemas enchufables de balcón cuya adopción está creciendo en Estados Unidos. Ninguno de esos efectos se midió en el experimento del ICFO.
Una vía diferente a los récords de eficiencia
El nuevo enfoque aparece mientras otros equipos trabajan en distintas fuentes de pérdidas. En julio, la empresa china LONGi presentó, según Engadget, una célula solar con una eficiencia del 35,5% y afirmó que la célula fotovoltaica utilizada podría alcanzar teóricamente el 43%. TechRadar describe ese resultado como una célula de perovskita apilada sobre una de silicio convencional. Son cifras asociadas a dispositivos y métodos distintos, no mediciones comparables de una misma configuración.
La estrategia de LONGi se relaciona con las células en tándem: apilar materiales con diferentes bandas prohibidas permite captar distintos rangos de energía de la luz. El trabajo del ICFO, en cambio, trata de limitar la emisión de fotones y reducir las pérdidas de Boltzmann. TechRadar también menciona la fisión de singletes, una vía que puede dividir fotones de alta energía; el resultado citado allí es un rendimiento cuántico del 130%, no una eficiencia de conversión solar del 130%.
Esas distinciones importan porque las cifras de eficiencia dependen de la tecnología y el material empleados. En el caso del ICFO, el dato observado fue la mejora de alrededor del 0,85% en una célula orgánica; el 43% describe el potencial teórico de la idea. El próximo paso para convertir esa promesa en una mejora útil para paneles sería trasladar y desarrollar el método en otras configuraciones, algo que las fuentes describen como una posibilidad y no como un producto disponible.
Por ahora, el avance consiste en una prueba de que la emisión puede estrecharse experimentalmente con una cavidad óptica basada en electrodos de plata. Los paneles comerciales que suelen rendir entre el 20% y el 23% siguen lejos de la proyección del 43%.
Fuentes: Engadget, ICFO, pv magazine Global, TechRadar
