La energía solar continúa expandiéndose y la ciencia detrás de esta tecnología también avanza: investigadores del Institut de Ciencies Fotoniques (ICFO) en Barcelona, España, han anunciado un avance en la ingeniería de células solares que podría superar el techo típico del 33% de eficiencia.

Hoy en día, cuando los paneles convierten la luz solar en electricidad, gran parte de la energía se pierde en el camino, como calor y luz. Una forma de entenderlo es como el ‘costo’ de la conversión. La teoría de la física conocida como el límite de Shockley-Queisser predice que, en células solares monocromáticas, nunca alcanzaremos más del 33% de eficiencia.

Sin embargo, científicos como el equipo del ICFO trabajan para romper estas reglas. En este estudio concreto, el enfoque se centra en el débil resplandor infrarrojo que emiten las células solares: técnicamente se llama pérdida de Boltzmann, y es parte de la razón por la que la tecnología actual se mantiene por debajo de ese límite del 33%.

Vencer el resplandor

Cuando la luz incide sobre un panel solar, los fotones golpean los electrones del material semiconductor. Esos electrones pueden extraerse como electricidad, pero no todos son recogidos a tiempo: algunos escapan y se vuelven a convertir en fotones, generando un resplandor infrarrojo que se propaga en todas direcciones.

Para abordar el problema, el equipo del ICFO sustituyó el electrodo frontal transparente tradicional —la pieza que recibe la luz y debe conducir la electricidad sin obstaculizar la transmisión de fotones— por una capa muy delgada de plata. Esta capa permite mayor transmisión de luz, funciona como conductor y se comporta en parte como un espejo. Este diseño restringe los ángulos desde los que la luz puede escapar, aumentando la eficiencia.

“Nuestro estudio representa un avance significativo en la conversión de energía solar, abriendo una ruta completamente inexplorada para superar el límite de Shockley-Queisser”, afirma el Dr. Francisco Bernal Texca, primer autor del estudio.

Al adaptar y evolucionar el enfoque descrito, los científicos señalan que podrían ser posibles eficiencias cercanas al 43% en teoría, aunque es importante notar que en sus pruebas observaron aumentos modestos. La cifra del 43% es una predicción sobre el potencial de este método.

Este enfoque de “caja espejada” para las células solares ha sido explorado en el pasado, pero nadie había logrado hacer que funcionara en un laboratorio ni obtener mejoras simultáneas en voltaje y corriente.

Apilamiento y escisión

Como señalan los investigadores del ICFO, existen múltiples enfoques para aumentar la eficiencia de los paneles: pérdidas por luz, pérdidas por calor y por fotones con energía insuficiente para generar electrones libres.

Gran atención recibe la reducción de pérdidas por calor, y una de las estrategias más prometedoras es apilar dos materiales con diferentes “bandgaps”, oenergías mínimas necesarias para liberar un electrón. Un bandgap mayor permite capturar más fotones de alta energía.

A principios de año, el fabricante chino Longi estableció un récord con una eficiencia del 35,5% al apilar un material cristalino llamado perovskita sobre una célula de silicio convencional. La perovskita puede ajustarse para absorber longitudes de onda específicas, aumentando la captación de fotones de alta energía.

Verás anuncios de distintos récords y cifras, ya que cada estudio se refiere a materiales y tecnologías diferentes. Por ejemplo, investigadores de la Kyushu University y la Johannes Gutenberg University Mainz reportaron un rendimiento cuántico del 130% mediante un enfoque llamado excitación de singlete, conocido como singlet fission. Es un rendimiento, no una eficiencia: este proceso divide fotones de alta energía para generar dos pares de electrones, lo que podría aumentar la eficiencia en el futuro, pero aún requiere desarrollo.

Aunque la jerga técnica pueda resultar densa, el objetivo final es simple. A medida que estas tecnologías se refinan y se vuelven comerciales, podremos obtener más electricidad de los paneles solares sin incrementar su tamaño, reduciendo facturas y nuestra dependencia de combustibles fósiles.