Un equipo de investigadores de la Friedrich-Alexander-Universität Erlangen-Nürnberg (FAU) y del Centro de Investigación de Energía Solar Argonne-Northwestern (ANSER) de EEUU, ha publicado una investigación en la revista científica 'Chem' sobre un proceso físico-químico conocido como fisión singlete que, según dicen, podría aumentar la eficiencia solar hasta en un 50%.
Las células solares son extremadamente ineficientes para convertir la energía solar en electricidad. Su eficiencia actualmente se encuentra entre el 20% y el 25%. Se requieren nuevos enfoques para aumentar significativamente el rendimiento de las células solares y generar más electricidad. La respuesta se puede encontrar en los procesos físico-químicos que aumentan significativamente la eficiencia de las células solares. Los científicos de Erlangen-Nuremberg y ANSER Center han estado explorando un enfoque prometedor como parte de su proyecto de investigación conjunta dentro de la iniciativa Emerging Fields Initiative (EFI) 'Fisión de singlete en nuevos materiales orgánicos: un enfoque hacia células solares altamente eficientes'. Los investigadores investigaron el llamado mecanismo de fisión singlete (SF), en el que un fotón excita dos electrones.
La fisión de singlete, dicen los científicos, se descubrió por primera vez hace más de 50 años, y su potencial para aumentar la eficiencia de la célula solar se conoce desde hace al menos 10 años. La fisión de singlete es un proceso mediante el cual se utilizan químicos selectos para permitir que una sola partícula de luz golpee una célula solar para 'excitar' dos electrones, en lugar de solo uno.
El principio de la fisión singlete se descubrió hace aproximadamente cincuenta años, pero su potencial para aumentar significativamente la eficiencia de las células solares orgánicas solo fue reconocido por científicos en Estados Unidos hace apenas diez años. Desde entonces, los investigadores de todo el mundo han estado trabajando para obtener una comprensión más detallada de los procesos fundamentales y los mecanismos complejos detrás de ella.
El proceso
Cuando un fotón de la luz del sol se encuentra y es absorbido por una molécula, el nivel de energía de uno de los electrones de la molécula aumenta. Al absorber un fotón, una molécula orgánica se convierte a un estado de mayor energía. La electricidad puede generarse dentro de las células solares a partir de esta energía que se almacena temporalmente dentro de la molécula.
El escenario óptimo en las células solares convencionales es que cada fotón genera un electrón como portador de la electricidad. Sin embargo, si se usan dímeros de compuestos químicos seleccionados, dos electrones de moléculas vecinas se pueden convertir a un estado de mayor energía. En total, un fotón genera dos electrones excitados, que a su vez pueden usarse para producir corriente eléctrica: dos están hechos de uno. Este proceso se conoce como SF y en el escenario ideal puede aumentar considerablemente el rendimiento de las células solares. Los químicos y físicos de la FAU y del Centro ANSER han investigado el mecanismo subyacente con más detalle, lo que ha llevado a una comprensión mucho más amplia del proceso SF.
Tres hallazgos importantes
Como primer paso en su investigación, los científicos produjeron un dímero molecular a partir de dos unidades de pentaceno. Este hidrocarburo se considera un candidato prometedor para usar la fisión singlete en células solares. Luego expusieron el líquido a la luz y utilizaron diversos métodos espectroscópicos para investigar los procesos fotofísicos dentro de la molécula.
Esto les dio a los investigadores tres ideas de gran alcance sobre el mecanismo detrás de la fisión singlete intramolecular. En primer lugar, lograron probar que el acoplamiento a un estado de transferencia de carga superior es esencial para un SF altamente eficiente. En segundo lugar, verificaron un modelo de fisión singlete que crearon y publicaron recientemente. En tercer lugar, demostraron que la eficacia de SF se correlaciona claramente con la fuerza con la que las dos subunidades de pentaceno están acopladas.
Los hallazgos de los investigadores indican la importancia de planificar cuidadosamente el diseño de los materiales de SF. Este es un hito importante en el camino hacia el uso de sistemas fotovoltaicos basados en SF para generar electricidad. Sin embargo, todavía se requiere más investigación básica.
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