Los científicos han usado este material cuántico como capa activa en un prototipo de célula fotovoltaica y han demostrado un aumento sin precedentes en la absorción de las partículas de luz y su transformación en energía. Según la Agencia Internacional de la Energía, la energía solar tuvo en 2022 el mayor crecimiento de todas las tecnologías renovables, superando a la eólica en generación energética por primera vez en la historia. En 2023, la generación de energía solar fotovoltaica aumentó en la cifra récord de 270 TWh (un 26% más), alcanzando casi los 1.300 TWh, y se espera que estos números continúen subiendo en el futuro.

Una de las claves de este crecimiento ha sido el aumento de eficiencia de las células fotovoltaicas en los últimos años, sin embargo, la tecnología actual sigue siendo limitada en la cantidad de energía que es capaz de atrapar. El prototipo de panel solar creado por investigadores de la Universidad de Lehigh, en Pensilvania (EEUU), quiere destrozar estos límites. Su nuevo material permite producir casi dos unidades de electricidad por cada partícula de luz (fotón) solar que absorbe. Esto es cerca del doble de lo que producen los sistemas fotovoltaicos actuales. "Este trabajo representa un importante salto adelante en nuestra comprensión y desarrollo de soluciones energéticas sostenibles", asegura Chinedu Ekuma, profesor de Física de la Universidad de Lehigh y autor principal del estudio publicado en la prestigiosa revista científica Science. "Pone de relieve enfoques innovadores que podrían redefinir la eficiencia y la accesibilidad de la energía solar en un futuro próximo".

Cómo funciona

El equipo ha fabricado este material introduciendo átomos de cobre en pequeños huecos entre capas de otros dos materiales (seleniuro de germanio y sulfuro de estaño). En esos espacios —llamados huecos de van der Waals— se pueden introducir moléculas o iones para modificar las propiedades de los materiales. El equipo primero demostró el potencial teórico de la idea testando su funcionamiento extensivamente mediante modelos informáticos. Luego, Ekuma, que es experto en física computacional de la materia condensada, desarrolló el prototipo como prueba de concepto. El resultado es un panel enormemente eficiente capturando luz y convirtiéndola en energía gracias a una característica única llamada ‘estados de banda intermedios’. Esta propiedad hace que el material sea especialmente bueno absorbiendo luz en las partes infrarroja y visible del espectro luminoso, lo que le permite atrapar energía fotónica que habitualmente se pierde en las células solares actuales por la reflexión y el calor.

Un salto cuántico en eficiencia

Los paneles fotovoltáicos tradicionales pueden generar y recoger un electrón de electricidad por cada fotón que absorben. Esto da una eficiencia cuántica externa (EQE) del 100%. Sin embargo, los tests realizados con el nuevo material han demostrado que puede alcanzar una EQE de hasta el 190%, lo que significa que puede generar casi dos electrones por cada fotón que absorbe.

Además, los paneles solares comerciales absorben alrededor del 30% de la energía que reciben del sol, mientras que el nuevo material, usado como capa activa una célula solar, ha demostrado una absorción fotovoltaica media del 80%. Aunque este material es muy prometedor, sus creadores reconocen en su estudio que es necesario seguir investigando antes de poder utilizarlo en los sistemas de energía solar existentes.

Aunque aseguran que las técnicas que han usado para fabricar estos materiales ya son de sobra conocidas, por lo que su potencial es enorme. "Su rápida respuesta y su mayor eficiencia indican claramente el potencial de este material para su uso en aplicaciones fotovoltaicas avanzadas", afirmó Ekuma. "Es un candidato prometedor para el desarrollo de células solares de nueva generación y alta eficiencia que desempeñarán un papel crucial a la hora de abordar las necesidades energéticas mundiales".