Científicos norteamericanos han descubierto que ciertos nanocristales empleados en celdas solares pueden producir un 35% más energía eléctrica que las celdas actuales.

(27/06/06 – CyTA – Instituto Leloir. Por Alejandro Manrique) – Científicos del Laboratorio Nacional de Los Alamos, en Estados Unidos, han descubierto que un fenómeno llamado multiplicación portadora, en el cual los cristales semiconductores responden a fotones produciendo múltiples electrones, es aplicable a un amplio rango de materiales no previsto.

El descubrimiento amplía el potencial para el uso de los nanocristales como materiales para una nueva generación de celdas solares, que producirían un 35% más de rendimiento eléctrico que las celdas solares actuales.

En artículos publicados recientemente en las revistas Nature Physics y Applied Physics Letters, los científicos Richard D. Schaller y Victor I. Klimov describen sus observaciones de la multiplicación portadora de alta energía en partículas de seleniuro de plomo (PbSe) de menos de 10 nanómetros –un nanómetro es la milmillonésima parte de un metro- de diámetro.

Al iluminar con luz en el extremo verde-azul del espectro electromagnético, estos nanocristales reaccionan a los fotones solares produciendo el doble de electrones que los semiconductores convencionales, en un proceso conocido como multiplicación portadora.

La multiplicación portadora fue descubierta en la década de 1950, pero siempre ha sido considerada un método no eficiente para la conversión de energía solar dado que producía, como máximo, un incremento de la eficiencia de conversión menor al uno por ciento.

Los investigadores también demuestran que la multiplicación portadora no es única de los nanocristales de seleniuro de plomo, sino que también ocurre y con muy alta eficiencia en los nanocristales de otros componentes, tales como el seleniuro de cadmio.

De acuerdo a Richard Schaller, científico del equipo de Los Alamos, “…Nuestra investigación de la multiplicación portadora en años previos estuvo primordialmente concentrada en analizar la respuesta de los nanocristales de seleniuro de plomo a los pulsos de láser muy cortos. Descubrimos que la absorción de un único fotón podría producir dos o incluso tres electrones excitados. Sabíamos, casi instintivamente, que la multiplicación portadora probablemente no estaba confinada al seleniuro de plomo, pero necesitábamos continuar la búsqueda…”.

Estos nuevos resultados arrojan luz sobre el mecanismo de la multiplicación portadora, que posiblemente ocurre por medio de la excitación fotoeléctrica de múltiples electrones. Dicho proceso no ha sido observado nunca en los materiales macroscópicos y, en forma ciertamente explícita, se basa en la nueva física a escala microscópica.

El investigador líder del proyecto, Victor Klimov, explica: “La multiplicación portadora realmente se basa en interacciones muy fuertes entre electrones apretujados dentro de un diminuto volumen de una partícula semiconductora a escala nanoscópica. Por ello, es el tamaño de la partícula, y no su composición, la que determina fundamentalmente la eficiencia del efecto. En los cristales de tamaño nanoscópico, las fuertes interacciones electrón-electrón hacen que un electrón de alta energía sea inestable. Este electrón solamente existe en su denominado “estado virtual” por un instante antes de transformarse rápidamente en un estado más estable que comprende dos o más electrones”.

Tanto Klimov como Schaller, investigadores en el grupo de Físico-Química y Espectroscopía Aplicada de la División Química del Laboratorio, son los primeros en demostrar esta propiedad de las nanopartículas que puede ser usada en la obtención de mayor energía eléctrica en las celdas solares.

Los hallazgos de Los Alamos apuntan hacia útiles aplicaciones de tecnologías fotovoltaicas que puedan utilizar materiales tradicionales de celdas solares, como los compuestos de telurio, que son muy similares a los seleniuros.

Otras interesantes oportunidades pueden estar también asociadas con el uso de la multiplicación portadora en tecnologías de energía solar, específicamente en la producción de hidrógeno por separación foto-catalítica del agua. Este proceso requiere cuatro electrones por molécula de agua y su eficiencia puede ser dramáticamente aumentada si estos electrones múltiples fuesen producidos por medio de la absorción de un único fotón.

El Laboratorio de Los Alamos opera bajo la órbita de la Universidad de California para la Administración Nacional de Seguridad Nuclear (NNSA, según sus siglas en Inglés) del Departamento de Energía de los Estados Unidos, y trabaja en conjunto con los laboratorios Sandia y Lawrence Livermore para cumplir con su tarea en el ámbito de la seguridad nuclear y el desarrollo de tecnologías asociadas a problemas de energía, medio ambiente y seguridad.

Más información: http://quantumdot.lanl.gov/