Los investigadores de la Universidad de Columbia han desarrollado una forma de aprovechar más la energía de la fisión singlete para aumentar la eficiencia de las células solares, proporcionando una herramienta para ayudar a impulsar el desarrollo de dispositivos de próxima generación.
En un estudio publicado este mes en Nature Chemistry, el equipo detalla el diseño de moléculas orgánicas que son capaces de generar dos excitones por fotón de luz, un proceso llamado fisión singlete. Los excitones se producen rápidamente y pueden vivir mucho más tiempo que los generados por sus contrapartes inorgánicas, lo que conduce a una amplificación de la electricidad generada por fotón que es absorbida por una célula solar.
“Hemos desarrollado una nueva regla de diseño para materiales de fisión singlete”, dijo Luis Campos, profesor asociado de química y uno de los tres investigadores principales del estudio. “Esto nos ha llevado a desarrollar los materiales de fisión intramolecular singlete más eficientes y tecnológicamente útiles hasta la fecha. Estas mejoras abrirán la puerta a células solares más eficientes”.
Todos los paneles solares modernos funcionan por el mismo proceso: un fotón de luz genera un excitón, explicó Campos. El excitón se puede convertir en corriente eléctrica. Sin embargo, hay algunas moléculas que se pueden implementar en las células solares que tienen la capacidad de generar dos excitones a partir de un solo fotón, un proceso llamado fisión singlete. Estas células solares forman la base de los dispositivos de próxima generación, que todavía están en la infancia. Sin embargo, uno de los mayores desafíos de trabajar con tales moléculas es que los dos excitones “viven” durante períodos de tiempo muy cortos (decenas de nanosegundos), lo que dificulta su recolección como una forma de electricidad.
En el estudio actual, financiado en parte por la Oficina de Investigación Naval, Campos y sus colegas diseñaron moléculas orgánicas que pueden generar rápidamente dos excitones que viven mucho más tiempo que los sistemas de vanguardia. Es un avance que no solo se puede usar en la producción de energía solar de próxima generación, sino también en procesos fotocatalíticos en química, sensores e imágenes, explicó Campos, ya que estos excitones se pueden usar para iniciar reacciones químicas, que luego se pueden usar por industria para fabricar drogas, plásticos y muchos otros tipos de productos químicos de consumo.
“Nuestro grupo y otros han demostrado la fisión intramolecular del singlete, pero los excitones resultantes se generaron muy lentamente o no durarían mucho”, dijo Campos. “Este trabajo es el primero en mostrar que la fisión singlete puede generar rápidamente dos excitones que pueden vivir durante mucho tiempo. Esto abre la puerta para estudiar fundamentalmente cómo se comportan estos excitones cuando se sientan en moléculas individuales, y también para comprender cómo pueden ponerse a trabajar de manera eficiente en dispositivos que se benefician de las señales amplificadas por la luz “.
La estrategia de diseño del equipo también debería ser útil en áreas separadas de estudio científico y tener muchas otras aplicaciones aún inimaginables, agregó.
Los coautores del estudio de Campos son: Samuel Sanders y Andrew Pun, de la Universidad de Columbia; Matthew Y. Sfeir, de la Universidad de la Ciudad de Nueva York; y Amir Asadpoordarvish, de la Universidad de Nueva Gales del Sur.
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