En un momento donde la energía renovable está comenzando a coger mucha fuerza, lograr paneles solares ligeros, eficientes y baratos es sin duda el «Santo Grial» de la investigación científica actual. Ahora unos investigadores de la Universidad de Cambridge acaban de desbloquear un secreto cuántico enterrado durante más de un siglo, con resultados capaces de transformar por completo el cómo capturamos y convertimos la luz solar en electricidad.
Inesperado. El avance surge de un fenómeno cuántico observado en un material orgánico denominado P3TTM, una molécula radical spin, es decir, que tiene un electrón solitario y desparejado del resto, lo que podemos decir que es «antisocial». Este material normalmente se utiliza en tecnologías de emisión de luz orgánica (como LEDs) por su intensa luminosidad y estabilidad química.
Lo sorprendente en este caso es que cuando muchas de estas moléculas se agrupan en una película delgada, sus electrones desemparejados interactúan entre sí de una forma muy particular. Y es que en lugar de ignorarse, se alinean en un patrón alterno (arriba-abajo), un comportamiento cuántico conocido como el de un aislante de Mott-Hubbard, algo que hasta ahora se asociaba principalmente con óxidos de metales inorgánicos.
Biwen Li, la investigadora principal del Laboratorio Cavendish, lo describe como «la verdadera magia». Al absorber luz, uno de estos electrones salta a una molécula vecina, creando instantáneamente una carga positiva y una negativa. Esas cargas separadas son, en esencia, electricidad lista para ser recolectada.
La revolución. La mayoría de los paneles solares orgánicos actuales funcionan como un sándwich. Necesitan dos materiales distintos: uno que «dona» electrones cuando le da la luz y otro que los «acepta». Esta unión, o heterojunción, es fundamental, pero también es fuente de ineficiencia ya que complica mucho la fabricación de los equipos.
El descubrimiento de Cambridge lo cambia todo. La P3TTM realiza todo el proceso por sí misma. No necesita un compañero. La separación de la carga ocurre entre moléculas idénticas, un proceso llamado «homojunción», lo que abre la puerta a esa eficiencia que era el objetivo de muchas investigaciones energéticas.
Cómo funciona. Si vemos la parte técnica, podemos saber que las películas de P3TTM se fabrican mediantes técnicas de evaporación térmica y se encapsulan para su protección. Los análisis espectroscópicos temporizados muestran dos emisores: uno a 645 nm debido al excitón del radical, y otro de emisión tardía y desplazado al rojo (~800 nm), atribuido a la recombinación de pares carga separada tras el proceso de transferencia de carga.
La eficiencia de colección bajo polarización inversa alcanza el 100%, indicando que prácticamente cada fotón se convierte en electrón aprovechable para generar corriente, lo nunca antes logrado en orgánicos.
La prueba. Para probarlo, el equipo construyó una célula solar con una fina capa de P3TTM y, al iluminarla, alcanzó una eficiencia de recolección de carga cercana al 100%. Esto significa que casi cada fotón de luz que golpeaba el material se convertía en corriente eléctrica útil.
La historia. La teoría sobre la que se apoya este descubrimiento, que es la teoría de los aislantes de Mott-Hubbard, fue desarrollada por Sir Nevill Mott, un gigante de la física de la materia condensada. Ahora este trabajo de Cambridge se publica justo en el 120 aniversario del nacimiento de Mott, rindiendo un homenaje al legado de quien sentó las bases para entender los fenómenos electrónicos en semiconductores que ahora vamos a poder usar.
El futuro. Este no es solo un pequeño avance. Es un cambio de paradigma. «No estamos simplemente mejorando diseños antiguos», afirma el profesor Bronstein. «Estamos escribiendo un nuevo capítulo en los libros de texto, demostrando que los materiales orgánicos pueden generar cargas por sí solos» apunta.
Las implicaciones que veremos ahora pueden ser enormes. Podríamos estar ante el nacimiento de una nueva generación de tecnología solar: paneles fabricados con un único material, de bajo coste, ligeros y flexibles, que podrían integrarse en cualquier superficie, desde ventanas hasta ropa. Aún queda camino por recorrer para llegar a un producto comercial, pero el secreto cuántico que han desvelado en Cambridge acaba de iluminar un futuro energético mucho más brillante y sencillo.
Imágenes | American Public Power Dynamic Wang