Las tecnologías de energía solar, que utilizan celdas solares para convertir la luz solar en electricidad o combustibles almacenables, están cobrando impulso en un mundo que mira más allá de los combustibles fósiles para satisfacer sus necesidades energéticas.
Los paneles solares de color azul oscuro que salpican los techos y los campos abiertos hoy en día generalmente están hechos de silicio, un material semiconductor bien probado. Sin embargo, la tecnología fotovoltaica de silicio tiene sus limitaciones, ya que pierde hasta el 40% de la energía que recolecta de la luz solar en forma de desperdicio de calor. Los investigadores de la Universidad Estatal de Colorado están estudiando nuevas formas radicales de mejorar la energía solar y brindar más opciones para que la industria las explore.
Los químicos de la CSU proponen fabricar células solares utilizando no silicio, sino un material natural abundantemente disponible llamado disulfuro de molibdeno. Usando una combinación creativa de técnicas fotoelectroquímicas y espectroscópicas, los investigadores llevaron a cabo una serie de experimentos que demostraron que películas extremadamente delgadas de disulfuro de molibdeno muestran propiedades portadoras de carga sin precedentes que algún día podrían mejorar drásticamente las tecnologías solares.
Los experimentos fueron dirigidos por química Ph.D. la estudiante Rachelle Austin y el investigador posdoctoral Yusef Farah. Austin trabaja conjuntamente en los laboratorios de Justin Sambur, profesor asociado del Departamento de Química, y Amber Krummel, profesora asociada del mismo departamento. Farah es un ex Ph.D. estudiante en el laboratorio de Krummel. Su trabajo se publica en Proceedings of the National Academy of Sciences.
Fue entonces cuando recurrieron a Krummel, cuyo laboratorio contiene un espectrómetro ultrarrápido de absorción transitoria de bomba de sonda de última generación que puede medir con mucha precisión los estados de energía secuenciales de electrones individuales cuando se excitan con un pulso láser. Los experimentos que utilizan este instrumento especial pueden proporcionar instantáneas de cómo fluyen las cargas en un sistema. Austin creó una celda fotoelectroquímica usando una sola capa atómica de sulfuro de molibdeno, y ella y Farah usaron el láser de sonda de bomba para rastrear el enfriamiento de los electrones a medida que se movían a través del material.
Descubrieron que el material era tan bueno para convertir la luz en energía porque su estructura cristalina le permite extraer y explotar la energía de los llamados portadores calientes, que son electrones altamente energéticos que se excitan brevemente de sus estados fundamentales cuando se golpean con suficiente energía visible. luz. Austin y Farah descubrieron que en su celda fotoelectroquímica, la energía de estos portadores calientes se convertía inmediatamente en fotocorriente, en lugar de perderse en forma de calor. Este fenómeno de extracción de portadores calientes no está presente en las células solares de silicio convencionales.
“Este trabajo allana el camino para saber cómo diseñar reactores que contengan estos materiales a nanoescala para la producción eficiente de hidrógeno a gran escala”, dijo Sambur.
El proyecto fue una colaboración con el profesor Andrés Montoya-Castillo y el Dr. Thomas Sayer de la Universidad de Colorado Boulder, quienes contribuyeron con la química teórica y el modelado computacional para ayudar a explicar y verificar los datos experimentales.
« El descubrimiento requirió un enfoque de ‘ciencia en equipo’ que reunió muchos tipos diferentes de experiencia, en química computacional, analítica y física », dijo Krummel.
Los resultados brindan a los científicos e ingenieros una vía de investigación para explorar nuevos enfoques para las tecnologías de energía solar del mañana. El trabajo fue apoyado por el Departamento de Energía de los Estados Unidos, Oficina de Ciencias Básicas de la Energía.