Las células solares tienen un límite, pero científicos de Alemania y Suecia ya saben cómo derribarlo y superar con creces el 20 % de eficiencia

Un equipo de investigadores de Alemania y Suecia ha identificado los procesos físicos que frenan el rendimiento de las células solares orgánicas, un tipo de dispositivo que ya supera el 20 % de eficiencia. El hallazgo permitiría derribar ese techo y ganar todavía más potencia con el mismo material.

El trabajo, publicado en la revista Nature Photonics, lleva la firma de científicos de la Universidad de Potsdam y del Instituto Paul Drude de Electrónica de Estado Sólido, ambos en Alemania, junto con la Universidad de Linköping, en Suecia. Su foco está en una relación que, hasta ahora, complicaba cualquier avance.

¿Dónde está el límite de eficiencia de las células solares orgánicas?

La eficiencia de una célula solar depende de tres parámetros: la corriente de cortocircuito, la tensión de circuito abierto y el factor de forma (una medida de cuánta potencia útil entrega el dispositivo respecto a su máximo teórico). El problema es que estos valores no se pueden optimizar por separado sin consecuencias.

Cuando se mejora la tensión de circuito abierto, el factor de forma tiende a empeorar, y a la inversa. Esa disyuntiva ha limitado durante años las ganancias de rendimiento en las células solares orgánicas, unos paneles fabricados con materiales de carbono en lugar del silicio tradicional. El equipo se propuso entender por qué ocurre ese intercambio.

El campo eléctrico y el tiempo de vida del excitón, según los científicos de Alemania y Suecia

El estudio demostró que la generación de cargas eléctricas libres en la capa activa de la célula depende en gran medida del campo eléctrico dentro del material semiconductor orgánico. Esa dependencia crea una barrera para el factor de forma que hasta ahora se había entendido mal, sobre todo cuando el objetivo es reducir al mínimo las pérdidas de tensión.

«Esto da lugar a una limitación del factor de forma hasta ahora poco comprendida, que resulta especialmente relevante cuando hay que minimizar las pérdidas de tensión», explicó Dieter Neher, del Instituto de Física y Astronomía de la Universidad de Potsdam.

Los investigadores señalaron dos factores como los más determinantes en ese punto: el tiempo de vida del excitón (un par de electrón y hueco que se forma cuando el material absorbe la luz) y la energía procedente de la transferencia de carga. Al prolongar la duración de ese excitón, según Neher, la limitación puede mitigarse de forma significativa, lo que despeja la vía para reducir las pérdidas sin sacrificar el factor de forma.

¿Qué supone el hallazgo para el futuro de la energía solar?

El resultado describe las reglas físicas que cualquier célula orgánica debe respetar, más que un dispositivo concreto. Con ese mapa, los grupos que diseñan estos materiales pueden orientar el trabajo hacia moléculas con excitones más duraderos, en lugar de avanzar por ensayo y error entre la tensión y el factor de forma.

La investigación fue un trabajo conjunto en el que participaron el grupo de Feng Gao, de la Universidad de Linköping, y el de Safa Shoaee, del Instituto Paul Drude de Electrónica de Estado Sólido, en Berlín.

La colaboración combinó la fabricación de dispositivos con el análisis de los procesos que ocurren dentro del material a escala de nanosegundos, el tiempo en el que se decide si una carga se pierde o se aprovecha. Ese enfoque permitió aislar el papel del campo eléctrico dentro de la capa activa.