Hacia una revolución en la captación de la energía solar

Las investigaciones que, durante los últimos años, se han estado llevando a cabo para poder aprovechar un espectro más amplio de la energía solar, al objeto de que ello permita producir electricidad de manera competitiva con las energías convencionales, está dando sus frutos. Recientes descubrimientos científicos han conseguido darle un giro muy prometedor al aprovechamiento de esta energía renovable que es radicalmente innovador. Se trata de la posibilidad que algunos materiales tienen para permitir crear un “embudo de energía solar” que multiplica el rendimiento de las células solares gracias a la deformación elástica provocada en los materiales.

Esta ingeniería emergente persigue utilizar las deformaciones elásticas para crear propiedades en los materiales que no tienen precedentes. En el caso de los materiales que permiten crear embudos de energía solar, la utilización del término “embudo” más bien es una metáfora. En efecto, los electrones y sus homólogos, los “huecos de electrón” —que quedan escindidos de los átomos gracias a la energía de los fotones— son impulsados por las fuerzas electrónicas hacia el centro de una estructura similar a la de un “embudo”, algo similar a lo que ocurre, debido a la fuerza de la gravedad, con los embudos normales que conocemos cuando vertemos un líquido sobre ellos porque queremos introducirlo en una botella.

Con las deformaciones elásticas, el material realmente toma la forma de un embudo. Consiste en una lámina estirada de material infinitamente delgada, que es empujado en su centro hacia abajo por una aguja microscópica que hiende la superficie y produce una curva, similar a la forma de embudo.

La presión ejercida por la aguja crea una deformación elástica que aumenta hacia el centro de la hoja. Los cambios variables que se producen en la deformación de la estructura atómica son suficientes como para “afinar” las diferentes secciones a diferentes longitudes de onda de luz que incluyen, no sólo el espectro de luz visible, sino también parte del espectro invisible, que es el que representa la mayor parte de la energía solar. Es así como la manipulación de la deformación de los materiales ha abierto un nuevo campo de investigación científica que pretende aprovechar un espectro mucho más amplio de la energía solar que nos llega a la Tierra.

La deformación causada por el empuje o la tracción de un material adquiere formas diferentes. La deformación puede ser elástica o inelástica. La deformación elástica estira los enlaces atómicos, mientras que la deformación inelástica o plástica es la que rompe o desconecta enlaces atómicos. Un muelle que se alarga y estira es un ejemplo de deformación elástica, mientras que una hoja de papel de aluminio que se arruga es un ejemplo de lo que es una deformación plástica.

El nuevo embudo solar trabaja de manera que permita controlar con precisión la deformación elástica y así se logre manejar el potencial de los electrones existentes en el material. Un equipo investigador del MIT, Instituto Tecnológico de Massachusetts, utiliza sistemas de modelación computarizada para determinar los efectos de la deformación en una película muy delgada de disulfuro de molibdeno (MoS2), un material que puede formar una película de un espesor de tan sólo una sola molécula, o el equivalente a un espesor unos seis angstroms.

La deformación elástica —y por lo tanto, el cambio que se induce en la energía potencial de los electrones— varía con la distancia al centro del embudo. Al igual que ocurre con el electrón de un átomo de hidrógeno, pero con el añadido de que este “átomo artificial” es mucho mayor en tamaño y, además, ocupa dos dimensiones.

A diferencia del grafeno, que es un material artificial que también es de película delgada, el disulfuro de molibdeno es un semiconductor natural. Este material tiene una característica muy importante que se conoce como ‘banda prohibida’ o “bandgap “ y que le permite comportarse como las células solares o como los circuitos integrados. Pero a diferencia del silicio, que ahora se utiliza para la fabricación de la mayoría de las células solares, una fina película deformada de disulfuro de molibdeno en forma de embudo que recoge la energía solar posibilita que su banda prohibida varíe a través de la superficie, de manera que así se creen diferentes partes correspondientes a diferentes colores de luz.

En una célula solar orgánica, el par “electrón-hueco”, también llamado excitón, se mueve al azar a través del material después de haber sido generado por los fotones, lo que limita la capacidad de producción de energía y se convierte en un proceso de difusión muy ineficiente. Gracias al embudo de energía solar, se consigue que las características electrónicas del disulfuro de molibdeno sean más eficientes para la recogida de carga eléctrica.

La convergencia de cuatro tendencias como son:

  1. El desarrollo de materiales nanoestructurados, como los nanotubos de carbono y MoS2, que son capaces de retener grandes cantidades de deformación elástica de forma indefinida,
  2. El desarrollo del microscopio de fuerza atómica y los instrumentos nanomecánicos de próxima generación, que exigen que la fuerza se utilice de una manera controlada;
  3. La microscopía electrónica y las instalaciones del sincrotrón, necesarias para medir directamente el campo de deformación elástica, y
  4. Los métodos de cálculo de la estructura electrónica para la predicción de los efectos de la deformación elástica sobre las propiedades físicas y químicas de un material determinado

Estos desarrollos son los que han permitido que, recientemente, se cree para la ingeniería esta prometedora área científica de la deformación elástica. Es cierto que, desde hace algún tiempo, se sabía que la aplicación de altas presiones a una fina película de  MoS2 podía provocar grandes cambios en las propiedades de este material. Sin embargo, ahora se ha demostrado que controlando la deformación en diferentes direcciones, tales como las que van en la dirección del corte y la deformación, se puede producir una enorme variedad de propiedades en la película de disulfuro de molibdeno.

Una de las primeras aplicaciones comerciales de la ingeniería de la deformación elástica ha sido el haber conseguido, por parte de IBM e Intel, una extraordinaria mejora del 50% de la velocidad de los electrones, creando simplemente una ligera deformación elástica de un 1% en los canales de silicio, a nanoescala, de los transistores.

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