Las células solares más eficientes suelen tener varias capas de materiales semiconductores, cada uno preparado para convertir diferentes colores de la luz en electricidad. Recientemente, un equipo de investigadores del Lawrence Berkeley National Lab ha desarrollado un semiconductor único que lleva a cabo prácticamente la misma función. Más importante aún, es que el material ha sido desarrollado utilizando técnicas de fabricación comunes, lo que sugiere que podría ser producido de forma relativamente poco costosa.Varios grupos de investigación están desarrollando nuevos materiales semiconductores que aprovechen mejor la energía de la luz solar, basándose en una idea que se remonta a la década de 1960, que consiste en cambiar la forma que los materiales semiconductores de las células solares interactúan con la luz. Sin embargo, los materiales utilizados en este tipo de investigación tienden a ser muy difícil de producir.
Todavía queda mucho trabajo antes de que el nuevo material desarrollado por el laboratorio Lawrence Berkeley pueda ser utilizado en una célula solar práctica, pero en teoría, éste podría convertir casi la mitad de la energía de la luz solar en electricidad—tres veces más que la mayoría de las células solares de una sola capa (o una sola unión). Una célula solar de este tipo también podría costar menos que las células solare multicapa (o multiunión) que se necesitan actualmente para lograr altos rendimientos, ya que sólo requieren un único material semiconductor.
En un material semiconductor convencional, se necesita una cierta cantidad de energía para liberar un electrón y generar electricidad. Los fotones que tienen menos energía—por ejemplo, los fotones de luz infrarroja—no generan electricidad. Además, si un fotón tiene más energía que el mínimo—como sería el caso de un fotón de luz ultravioleta—la energía extra se pierde en forma de calor.
El nuevo material semiconductor está compuestos mayoritariamente por arseniuro de galio. Normalmente, este material requiere fotones de alta energía para generar electricidad. Sin embargo, los investigadores lo han modificado para que la energía de más de un fotón sea utilizada para liberar un electrón—la energía se acumula hasta que hay suficiente para hacer saltar un electrón. La sustitución de algunos de los átomos de arsénico en el material por átomos de nitrógeno crea regiones que actúan como trampolín para los electrones que han absorbido parte de la energía de los fotones de baja energía, donde esperan para recibir la energía de más fotones, explica Wladek Walukiewicz, quien dirige el Grupo de Investigación de Materiales para la Energía Solar del laboratorio Lawrence Berkeley, y quien también dirigió el proyecto.
El nuevo material convierte los fotones de alta energía en electricidad sin perder su energía en forma de calor, y también convierte en electricidad los fotones de baja energía—unos fotones que normalmente no serían absorbidos por el material.
En las células multiunión comerciales de energía solar, que esencialmente se fabrican por apilamiento de tres células solares una sobre la otra, cada una optimizada para un color diferente de la luz, se consigue un efecto similar. Sin embargo, la combinación de estas tres células solares es cara y compleja, ya que cada capa tiene que ser muy similar a las otras.
El nuevo prototipo de célula solar todavía es relativamente ineficiente. Parte del problema es que muchos de los electrones que han absorbido una parte de la energía de los fotones de baja energía no guardan la energía durante el tiempo suficiente para absorber la de otro fotón. Estos electrones nunca llegan a salir del material y su energía se pierde en forma de calor. Los investigadores están trabajando con dos empresas, Rose Street Labs Energy y Sumika Electronic Materials, para superar este problema. Una de las opciones, por ejemplo, es el dopaje del material con átomos de fósforo para modificar sus propiedades eléctricas.
Eso será un buen reto, señala Andrew Norman, científico investigador del National Renewable Energy Laboratory. Norman también ha trabajado en este tipo de células solares, aunque en su caso, los materiales utilizados eran muy diferentes. Norman afirma que el nuevo trabajo es interesante, sobre todo debido a los niveles de alta tensión que la célula produce, pero también señala que en el pasado la comercialización de este tipo de células ha sido difícil. "Hay que preguntarse por qué, en 50 años, nadie ha tenido éxito", indica él.
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