Nanopartículas para fabricar paneles solares más eficientes que aprovechen la luz infrarroja

Para capturar la mayor cantidad de energía posible del Sol, necesitamos mejorar la eficiencia de las células solares. Actualmente, la mayoría de las tecnologías sólo captan la luz visible, lo que significa que el resto del espectro se desperdicia. Ahora, investigadores del Laboratorio Nacional Lawrence Berkeley han desarrollado una forma de usar nanopartículas recubiertas de colorantes orgánicos especiales para aprovechar la luz infrarroja, lo que podría permitir a las células solares ampliar el espectro y ser más eficientes, se trabaja para duplicar su eficiencia.

Las partículas conocidas como nanopartículas de conversión ascendente (UCNPs), contienen iones metálicos de lantánidos como el iterbio y el erbio.El iterbio absorbe la luz infrarroja y la envía al erbio,que lo devuelve como luz verde visible. Más tarde se descubrió que si recubrían con un tinte orgánico las nanopartículas aumentaba su eficiencia. El problema era que se degradaban rápidamente al exponerlos a la luz.

“Los colorantes parecían degradarse casi inmediatamente después de la exposición a la luz, y nadie sabía exactamente cómo estaban interactuando los colorantes con la superficie de las nanopartículas“, dice Emory Chan, coautor principal del estudio.

Ahora, los científicos del Berkeley Lab afirman haber conseguido un proceso estable para diseñar sistemas que funcionen mejor. Descubrieron que los lantánidos en las partículas provocan que los tintes entren en un estado en el que pueden unir varios fotones en un único fotón de luz visible, transfiriendo la energía de los lantánidos de manera más eficiente. Actuando como concentradores de luz.

“Los colorantes actúan como concentradores solares a escala molecular, canalizando la energía de los fotones del infrarrojo cercano a las nanopartículas“, dice P. James Schuck, coautor principal del estudio.

La observación de la emisión de luz del colorante y de la absorción del UCNP mostró que los picos de ambas mediciones se alineaban, revelando cómo funcionaban estas nanopartículas.

Basados en estos descubrimientos, los investigadores diseñaron nuevos UCNPs para que el proceso fuera más eficiente. Después de aumentar la concentración de lantánidos en las partículas del 22 al 52 %, el equipo encontró que sus nuevos UCNP teñidos eran 33.000 veces más brillantes y 100 veces más eficientes de lo que serían sin el tinte.

Desafortunadamente, la desventaja es que los colorantes siguen siendo muy inestables – para estos experimentos, los investigadores tuvieron que mantenerlos en ambientes nitrogenados. Les queda el reto de desarrollar recubrimientos protectores para los UCNPs.

Una vez que se hayan resuelto estos inconvenientes, el equipo dice que las partículas podrían usarse para fabricar células solares que puedan aprovechar más del espectro de luz. Dado que son transparentes a la luz visible, se puede colocar una capa sobre la parte superior de las células solares normales.

“Estos colorantes orgánicos capturan amplias franjas de luz infrarroja cercana“, dice Bruce Cohen, coautor principal del estudio. “Dado que las longitudes de onda de la luz cercana al infrarrojo a menudo no se utilizan en tecnologías solares que se centran en la luz visible, y que estas nanopartículas sensibilizadas por colorantes convierten eficientemente la luz cercana al infrarrojo en luz visible, aumentan la posibilidad de capturar una buena parte del espectro solar que, de otro modo, se desperdicia, y de integrarlo en las tecnologías solares existentes“.