Bloquear las vibraciones que eliminan el calor podría aumentar la eficiencia de las células solares de próxima generación
Dirigido por el Laboratorio Nacional de Oak Ridge del Departamento de Energía y la Universidad de Tennessee, en Knoxville, un estudio de un material utilizado en energía solar con un futuro brillante reveló una forma de ralentizar los fonones, las ondas que transportan el calor.
La sustitución del hidrógeno por deuterio hace que el metilamonio sea más pesado y reduzca su oscilación para que pueda interactuar con las vibraciones que eliminan el calor, manteniendo los portadores de carga calientes por más tiempo. / Jill Hemman/ORNL, U.S. Dept. of Energy
El descubrimiento podría mejorar unas novedosas células solares que convierten la luz solar en electricidad de manera más eficiente que las células solares convencionales, aprovechando los portadores de carga fotogenerados antes de que pierdan energía en forma de calor.
Mahshid Ahmadi de la UT señaló, “Ajustar la dinámica de las moléculas orgánicas puede permitir el control de los fonones, importantes para la conductividad térmica en las perovskitas organometálicas“. Estos materiales semiconductores son prometedores para aplicaciones fotovoltaicas.
Ahmadi y sus colegas diseñaron y dirigieron el estudio, publicado en la revista Science Advances. Cuando la luz solar golpea una célula solar, los fotones crean portadores de carga – electrones y huecos – en un material absorbente. Las células solares HCSC (hot-carrier solar cells) rápidamente convierten la energía de los portadores de carga en electricidad antes de que se pierda como calor residual. Prevenir la pérdida de calor es un gran desafío para estas células solares, que tienen el potencial de ser dos veces más eficientes que las células solares convencionales.
La eficiencia de conversión de las células solares convencionales de perovskita ha mejorado del 3% en 2009 a más del 25% en 2020. Un dispositivo hot-carrier bien diseñado podría alcanzar una eficiencia de conversión teórica cercana al 66%.
Los investigadores estudiaron el yoduro de plomo de metilamonio, un material absorbente de perovskita. En él, las excitaciones colectivas de los átomos crean vibraciones. Las vibraciones que se mueven en sincronía con otras son fonones acústicos, mientras que las que se mueven fuera de sincronía son fonones ópticos.
“Típicamente, los portadores de carga pierden primero su calor en los fonones ópticos, que se propagan más lentamente que los fonones acústicos”, explicó el coautor del ORNL, Raphael Hermann. “Más tarde, los fonones ópticos interactúan con los fonones acústicos que llevan esta energía”.
Sin embargo, en una región llamada “cuello de botella de los fonones calientes”, una física exótica evita que los electrones pierdan su energía por las vibraciones colectivas que transportan el calor. Para mejorar este efecto en una perovskita fotovoltaica, los investigadores utilizaron la inercia, la tendencia de un objeto a seguir haciendo lo que está haciendo, ya sea en reposo o en movimiento.
“Básicamente disminuimos la velocidad con la que las moléculas pueden oscilar, de manera similar a cómo frenar una patinadora de hielo al girar, poniendo pesos en sus manos”, dijo Hermann.
El estudio proporcionó una comprensión sin precedentes del efecto del aumento de la masa atómica en la transferencia de calor. “Muchas vibraciones tienen frecuencias tan altas que normalmente no interactúan con las vibraciones de baja energía del cristal”, dijo Daemen.
La frecuencia de oscilación de la molécula orgánica MA es un poco más alta que la frecuencia de las vibraciones colectivas. Sin embargo, cuando un átomo de deuterio sustituye a un isótopo de hidrógeno más ligero, su mayor masa ralentiza la oscilación del MA. Se balancea a una frecuencia más cercana a la de las vibraciones colectivas, y los dos comienzan a interactuar y luego se acoplan fuertemente. Los fonones sincronizados se ralentizan, volviéndose menos efectivos en la eliminación del calor.
“Los fonones parecen ser un botón muy efectivo para girar, y sabemos cómo hacerlo”, dijo Manley. “Cuando quieras mejorar los materiales, puedes añadir una molécula, metilamonio o algo más”.
Añadió Ahmadi, “Este conocimiento puede ser usado para guiar el diseño de materiales para aplicaciones más allá de la fotovoltaica, como sensores ópticos y dispositivos de comunicación”.
