Ingenieros del Max Planck Institute for Polymer Research en Mainz y del Sony Materials Science Laboratory de Stuttgart han desarrollado un procedimiento mediante el cual la longitud de onda larga de la luz común puede ser convertida en fotones de onda corta y alta energía, lo que supondrá la aparición de una nueva generación de células fotovoltaicas, mucho más eficaces que las actuales.
Es la primera vez que la luz común, como la del sol, puede ser manipulada para combinar la energía presente en los fotones con una particular longitud de onda. Hasta ahora esta transformación sólo se había conseguido utilizando luz láser de alta energía.
Las fuentes de luz comunes emiten fotones en casi todas las direcciones, generalmente en una amplia gama de longitudes de onda. Sin embargo, un láser contiene una sola longitud de onda y emite generalmente los fotones en un rayo muy estrecho, por lo que es más fácil de manipular que la luz común.
La luz tiene una doble naturaleza: corpuscular (los llamados fotones) y ondulatoria. Y aunque todos los fotones se mueven a la velocidad de la luz, cada uno de ellos lo hace con pasos distintos que tienen una duración diferente. El período es el tiempo que tarda un fotón en dar cada paso, mientras que la longitud de onda es la distancia que recorre en cada paso.
Fusión de fotones
Según explica el mencionado Instituto en un comunicado, la manipulación de los fotones de la luz común se ha conseguido mediante la combinación adecuada de dos sustancias que se activan por la luz. Los resultados de esta investigación han sido publicados en la revista Physical Review Letters.
Lo que perseguían estos ingenieros era establecer un procedimiento que amplificara el nivel bajo de energía de las partículas de luz común disminuyendo su longitud de onda, y lo han conseguido emparejando fotones de luz normal y alterando así su longitud de onda. Este procedimiento permitirá un mejor aprovechamiento de la luz solar para obtener electricidad, lo que supondrá la aparición de una nueva generación de células solares o fotovoltaicas.
Para poder emparejar los fotones, los ingenieros emplearon dos sustancias diluidas en una solución: platinum octaethyl porphyrin y diphenylanthracene. Mientras que una de ellas sirve como una “antena” para la luz verde entrante (molécula antena), la otra empareja los fotones, transformando los dos fotones verdes de baja energía en un solo fotón de luz azul de alta energía. Este nuevo fotón es emitido por la misma molécula (molécula emisora).
Proceso detallado
De manera más detallada, el fenómeno es el siguiente: en primer lugar, las llamadas “moléculas antena” absorben un fotón verde de poca energía y lo transmiten a una molécula emisora en forma de paquete de energía.
La molécula emisora almacena así esta energía en estados “excitados”. Después, dos de las moléculas emisoras cargadas de energía reaccionan entre sí, transmitiendo una molécula su energía a la otra. Como resultado, una molécula recupera su estado de energía reducida y la segunda almacena un doble paquete de energía, que es emitido en forma de fotón azul. Este fotón azul tiene una longitud de onda corta y más energía que la luz verde emitida inicialmente, como consecuencia de la combinación de dos fotones en uno.
Según el Instituto Max Planck, el procedimiento es muy interesante desde el punto de vista químico porque, por un lado, las moléculas deben ser cuidadosamente emparejadas para permitir que la energía se transmita eficazmente y, por otra parte, ni las moléculas antena ni las emisoras deben perder su energía durante la operación.
Los ingenieros deben sintetizar una molécula antena capaz de absorber la luz de onda larga y de conservarla el tiempo necesario hasta su transmisión hacia las moléculas emisoras. Sólo sirve para realizar el proceso un compuesto metal-orgánico complejo constituido por un átomo de platino en el interior de una molécula con forma de anillo.
La molécula emisora, por su parte, debe ser capaz de recoger el paquete de energía de la antena y conservarlo hasta que encuentre otra molécula emisora excitada que permita una nueva fusión de fotones.
Nuevas células fotovolvaticas
Dado que este procedimiento permite utilizar zonas del espectro de la luz del sol aparentemente perdidas para la industria, los ingenieros artífices de este hallazgo esperan que ofrezca un punto de partida ideal para la fabricación de una nueva generación de células solares o fotovoltaicas, mucho más eficaces que las actuales.
Las células solares son elementos eléctricos sensibles a la luz que, a partir de ésta, son capaces de producir electricidad. Se construyen con semiconductores. Al entrar en contacto con los semiconductores, los fotones son capaces de convertirse en dos partículas cargadas (electrón y positrón). La circulación de los electrones es lo que origina electricidad.
Las células voltaicas tradicionales funcionan gracias a los materiales que las forman. Algunos de estos materiales tienen exceso de electrones, mientras que otros tienen déficit. Así, los fotones que inciden sobre las células arrancan los electrones sobrantes de una capa y los hacen moverse hacia aquellas capas donde hay déficit de electrones o “vacíos”. De esta forma, se produce el flujo de electrones y, por lo tanto, un voltaje eléctrico.
Sin embargo, el rendimiento de las células solares está hoy por hoy limitado, entre otras razones, por el hecho de que la parte de la luz solar que es de onda larga y baja energía no puede aprovecharse. Con el nuevo sistema, la luz común como la solar puede ser mejor aprovechada para la generación de electricidad.
Una vez descubierto el sistema que permite el mejor aprovechamiento de la luz solar para la obtención de electricidad, los ingenieros europeos se centran en optimizar el proceso, probando nuevos pares de sustancias capaces de captar otros colores del espectro de la luz y tratando de integrarlos en la matriz del polímero o macromolécula.