Durante décadas los investigadores han estudiado el modo teórico de duplicar la salida de energía de las células solares—mediante el uso de los así llamados electrones calientes. Los investigadores del Boston College acaban de proporcionar nuevas evidencias experimental de que la teoría puede funcionar. Han construido unas células solares capaces obtener un aumento de energía a partir de fotones de alta energía. Este aumento, según afirman los investigadores, es el resultado de la extracción de electrones calientes.

Los resultados nos encaminan hacia un tipo de células capaces de superar los límites convencionales de eficiencia. Debido al modo en que funcionan las células solares convencionales, son capaces, en teoría, de convertir como máximo alrededor de un 35 por ciento de la energía de la luz solar en electricidad, malgastando el resto en forma de calor. El uso de electrones calientes podría dar como resultado grados de eficiencia de hasta un 67 por ciento, afirma Matthew Beard, científico senior en el Laboratorio Nacional de Energía Renovable en Golden, Colorado, y que no estuvo involucrado en el estudio actual. Doblar la eficiencia de las células solares podría reducir los costes de la energía solar a la mitad.

Las células solares convencionales sólo pueden convertir de forma eficiente la energía de ciertas longitudes de onda de luz en electricidad. Por ejemplo, cuando una célula solar optimizada para longitudes de onda de luz roja absorbe fotones de luz roja, produce electrones con niveles de energía similares a los de los fotones entrantes. Cuando la célula absorbe un fotón azul de alta energía, en primer lugar produce un electrón con una energía similarmente alta—un electrón caliente. Sin embargo estos electrones pierden gran parte de su energía muy rápidamente en forma de calor antes de poder escapar de la célula y producir electricidad.

(En cambio, las células optimizadas para la luz azul no convierten la luz roja en electricidad, por lo que sacrifican la energía en esta parte del espectro.)

Los investigadores del Boston College fabricaron células solares ultra finas de sólo 15 nanómetros de grosor. Puesto que las células eran tan delgadas, los electrones calientes pudieron salir de la célula rápidamente, antes de enfriarse. Los investigadores descubrieron que la salida de voltaje de las células se vio incrementada al ser iluminadas con luz azul en vez de luz roja. “Ahora lo que hacemos es extraer los electrones de la luz azul antes de que pierdan todo su exceso de energía,” afirma Michael Naughton, profesor de física del Boston College.

El problema es que al ser tan finas, las células solares dejan que la mayoría de la luz pase a través de ellas. Como resultado, convierten sólo un tres por ciento de la energía de la luz entrante en electricidad. “Creo que es prometedor,” afirma Beard. Aunque añade que hasta ahora sólo muestran un “efecto bastante pequeño.”

Naughton afirma que su equipo tiene planeado solucionar este problema mediante el uso de nanocables. La idea básica, propuesta por muchos investigadores distintos, es crear bosques de nanocables capaces de absorber la luz a lo largo de toda su longitud. Puesto que cada nanocable es de grosor fino, los electrones no tendrán que recorrer una gran distancia para escapar hasta la capa conductiva sobre la superficie. Esto podría hacer posible que se replicase el efecto de electrón caliente observado en las células solares finas. Naughton y sus colegas están comercializando este tipo de nanocables a través de una startup llamada Solasta, con sede en Newton, Massachusetts, fundada por la respetada firma de capital riesgo Kleiner Perkins Caufield & Byers.

Los investigadores también esperan incrementar el número de electrones calientes que recolectan de la luz absorbida. Para llevar a cabo esta tarea, están usando un método utilizado por Martin Green, profesor de la Universidad del Nuevo Sur de Gales en Australia, y líder en la utilización de electrones calientes en células solares. Este método requiere la incorporación de capas de puntos cuánticos, que actúan como una especie de filtro, extrayendo de forma selectiva electrones con voltaje más alto de lo normal, afirma Beard. Naughton afirma que Solasta ya ha logrado demostrar que es posible incorporar este tipo de puntos cuánticos en los nanocables de la compañía.