Investigadores del Instituto de Tecnología de Karlsruhe (KIT, Alemania) han dado un paso importante en la conversión de la luz en energía almacenable. Junto con científicos del Instituto Fritz Haber de Berlín y de la Universidad de Aalto (Finlandia), estudiaron la formación de los denominados polarones en el óxido de zinc.
Los polarones son pseudo o cuasipartículas que viajan a través del material fotoactivo hasta que se convierten en energía eléctrica o química en una interfaz. Los hallazgos, que son de relevancia para la energía fotovoltaica, entre otros ámbitos, aparecen en la prestigiosa revista Nature Communications.
Los procesos de conversión de la luz en energía almacenable pueden contribuir de manera decisiva a un suministro de energía sostenible. Durante miles de millones de años, la naturaleza ha estado utilizando este tipo de procesos en la fotosíntesis para formar hidratos de carbono con la ayuda de la luz.
En la investigación, la fotocatálisis, que utiliza la luz para acelerar procesos químicos, está cobrando cada vez más importancia. En los últimos años, los investigadores también lograron importantes avances en la energía fotovoltaica, convirtiendo la luz solar incidente directamente en energía eléctrica. La eficiencia mejora constantemente.
Sin embargo, los procesos que subyacen a la energía fotovoltaica apenas han sido estudiados en detalle hasta ahora. «La conversión de fotones, es decir, las partículas de luz, en electricidad, consta de varios pasos», explica el profesor Christof Wöll, jefe del Instituto de interfaces funcionales de KIT, en la nota de prensa de éste.
Electrón-hueco
En primer lugar, la luz es absorbida en un material fotoactivo. Los electrones individuales desaparecen de su sitio y dejan un hueco. Los pares electrón-hueco son estables durante un corto espacio de tiempo. Entonces, o bien se descomponen por la emisión de luz o se separan en un electrón y un hueco que se mueven en el material de forma independiente el uno del otro. El destino de esta partícula cargada depende entonces del material.
En la mayoría de los materiales, los huecos libres no son estables, sino que se convierten en los llamados polarones al perder energía. Un polarón es una pseudopartícula especial compuesta de una partícula y su interacción con el entorno (campo de deformaciones asociado). Los polarones formados son estables durante un período más largo y viajan a través del material fotoactivo hasta que se convierten en energía eléctrica o química en una interfaz.
Experimentos
Los investigadores de KIT, bajo la dirección de Wöll, han llevado a cabo experimentos usando material fotoactivo de óxido de zinc con el fin de estudiar la formación y la migración de polarones.
Emplearon una configuración experimental única en el mundo para espectroscopia de absorción por reflexión de infrarrojos con una resolución temporal de 100 milisegundos, y midieron el espectro infrarrojo de monocristales de óxido de zinc, observando bandas de absorción intensas, es decir, huellas dactilares, de un pseudopartícula en principio desconocida.
La interpretación de los datos y la identificación de esta nueva partícula fueron grandes desafíos para los científicos de KIT. En cooperación con un grupo de trabajo del Instituto Fritz Haber y del Centro de Excelencia para la Nanociencia Computacional de la Universidad de Aalto, lograron sin ambigüedades asignar las bandas de absorción a los llamados polarones. «Este es un hallazgo importante hecho en 2015, el Año Internacional de la Luz y las tecnologías basadas en la luz», señala Wöll.
Polarones
Cuando un electrón se mueve lentamente por el interior de un cristal puede producir una deformación en la red cristalina que lo rodea al interaccionar con los átomos próximos. Esta deformación se liga al electrón que la ha creado, y se desplaza junto a él a través de la red, dando lugar a un polarón.
Los polarones se dan principalmente en cristales iónicos, donde la interacción entre los electrones y los iones de la red es grande (interacción coulombiana). Pueden concebirse como un electrón interactuando con una nube de fonones a la que arrastra en su movimiento. Como consecuencia, la masa efectiva del electrón parece aumentar, reduciendo así su movilidad.
Referencia bibliográfica:
Hikmet Sezen, Honghui Shang, Fabian Bebensee, Chengwu Yang, Maria Buchholz, Alexei Nefedov, Stefan Heissler, Christian Carbogno, Matthias Scheffler, Patrick Rinke, and Christof Wöll: Evidence for photogenerated intermediate hole polarons in ZnO. Nature Communications (2015). DOI 10.1038/ncomms7901.