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Nuevos semiconductores para recolectar energía solar.

recolectar energía solar

Créditos de las imagenes: Rami Shelush – Technion Press Room.

Nuevos descubrimientos de científicos de Israel avanzan en la comprensión de los semiconductores, con el propósito de recolectar energía solar.

Las células solares fotovoltaicas son dispositivos que convierten la luz solar en electricidad. La luz del sol, sin embargo, está disponible solo varias horas al día. Para poder utilizarlo por la noche o en días nublados, la energía debe almacenarse para garantizar un suministro de energía estable.

Un método para hacerlo es cargar baterías recargables durante el día, utilizando energía solar, y descargarlas a la red durante la noche. Esto requiere un almacenamiento de baterías a gran escala que aumenta el costo de la energía solar y solo es efectivo para el almacenamiento a corto plazo.

Almacenamiento a largo plazo.

El almacenamiento estacional a largo plazo requiere otras soluciones.

Otro enfoque, que es objeto de estudios por el profesor Avner Rothschild  y su grupo de investigación, es utilizar células fotoelectroquímicas para convertir la luz solar no en electricidad, sino en combustible de hidrógeno. Lo producen al dividir moléculas de agua (H2O) en hidrógeno (H2) y oxígeno (O2).

El hidrógeno almacenado se puede utilizar más tarde para producir electricidad o para otros usos, como calefacción, combustible para vehículos eléctricos y diversos procesos industriales como la fabricación de acero, el refinado petroquímico y la producción de amoniaco.

En el corazón de las células solares fotovoltaicas y fotoelectroquímicas se encuentra un fotoabsorbente semiconductor. Se trata de un material capaz de absorber fotones y generar portadores de carga libre (electrones y huecos) que contribuyen a la fotocorriente.

Pero cuando las células solares comerciales utilizan silicio para ese propósito, las células fotoelectroquímicas deben depender de otros materiales que muestren una mayor compatibilidad con las condiciones en las que debe funcionar la célula. Por ejemplo la estabilidad en electrolitos acuosos.

Un material prometedor para ese propósito es la hematita, una forma abundante de óxido de hierro cuya composición química es similar a la del óxido.

Sin embargo, hasta ahora, la hematita ha frustrado a los científicos: a pesar de media década de investigación, los científicos han podido obtener de ella menos del 50% de la eficiencia de conversión de energía solar que predice la teoría.

El grupo del profesor Rothschild ahora muestra en un artículo en Nature Materials por qué este es el caso y presenta una forma novedosa de evaluar el límite de eficiencia real que podría obtenerse de la hematita y otros semiconductores.

El grupo postuló que la pérdida de eficiencia en la hematita no se debe únicamente a la recombinación del portador de carga, un efecto bien conocido que puede mitigarse mediante técnicas de captura de luz y nanoestructuración, pero que también se produce debido a los efectos internos de interacción luz-materia que no pueden mitigarse con estos enfoques.

Según su hipótesis, una parte de los electrones excitados por los fotones absorbidos se excitan en estados electrónicos que no pueden moverse libremente dentro del material.

Los fotones absorbidos que dan lugar a estas transiciones electrónicas localizadas se «desperdician» sin contribuir a la fotocorriente.

Usando una película de hematita ultrafina (7 nm), el grupo pudo medir el efecto en correlación con la longitud de onda, extrayendo el llamado espectro de rendimiento de fotogeneración dependiente de la longitud de onda.

En colaboración con el grupo de investigación del profesor Roel van de Krol del Instituto de Combustibles Solares en Helmholtz-Zentrum Berlín, midieron una respuesta espectral similar de portadores de carga fotogenerados mediante otra técnica basada en microondas.

La obtención de resultados similares mediante los dos métodos diferentes sirve como verificación del método y demuestra que el rendimiento de la fotogeneración es una limitación fundamental que se pasa por alto, pero que es responsable del bajo rendimiento de los fotoelectrodos de hematita para la conversión y el almacenamiento de energía solar.

El novedoso método del grupo permitirá la caracterización de otros materiales de la misma manera que caracterizaron la hematita. Por tanto van a poder proporcionar información sobre las limitaciones de diferentes materiales y dar acceso a información sobre la interacción luz-materia en materiales electrónicos correlacionados con propiedades optoelectrónicas no triviales.

Esto abrirá el camino a una construcción más eficiente de células fotoelectroquímicas, dando acceso a energía renovable y combustible de hidrógeno verde.

 

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