Les universitats de Pennsilvània i Drexel (totes dues a Filadèlfia) han presentat un nou compost que podria reduir el nombre de materials que s'empren en la fabricació de cèl·lules solars fotovoltaiques, alhora que en doblaria l'eficiència.
En la seva tasca, els investigadors han rebut el suport de l'Oficina de Recerca Naval i del Departament d'Energia dels Estats Units, entre altres institucions, tant públiques com privades.
S'espera poder fabricar un prototip de panell fotovoltaic a partir del nou material, a escala real, abans de final de 2015.
Els panells solars fotovoltaics convencionals basen el seu funcionament en la interfície de dos materials: un que absorbeix els fotons i excita els electrons, i un que fa que aquests flueixin en una direcció constant (polaritat) per produir corrent elèctric.
La interfície, anomenada junció dels semiconductors p i n, és d'un sol sentit, i un cop un electró l'ha travessada ja no pot tornar enrere.
Una porció de l'energia dels fotons es perd mentre els electrons s'esperen per traspassar la junció entre un semiconductor i l'altre, i de fet existeix un límit teòric màxim per a l'eficiència de les cèl·lules que fan servir una estructura simple de juncions de semiconductors p i n ( límit de Shockley-Queisser, que se situa al voltant del 34%).
Això ha portat a idear sistemes de junció múltiple, amb diverses capes superposades, cadascuna de les quals és capaç d'absorbir una determinada longitud d'ona de l'espectre solar, de manera que l'eficiència global és més alta, però es tracta de sistemes molt costosos.
Els investigadors de les universitats de Pennsilvània i Drexel han presentat un material que pot, alhora, capturar fotons de la llum visible i infraroja, i generar el corrent elèctric, de manera que es poden evitar les pèrdues d'eficiència en el pas de la junció, que desapareix.
L'existència de materials semblants ja era sabuda des dels anys setanta del segle XX, però fins ara els únics que se'n coneixien eren els capaços d'absorbir la longitud d'ona de l'ultraviolat.
El nou material combina niobat de potassi (KNbO 3 ) i niobat de níquel-bari (conegut com KBNNO ).
El primer confereix al compost la capacitat de generar un efecte fotovoltaic polar massiu ( bulk photovoltaic effect ) i el segon abaixa el llindar per a l'absorció de fotons, de manera que se'n capturen més.
Els dos materials, en forma de pólvores fines, es barregen i s'escalfen fins que es crea un cristall amb estructura de perovskita que reuneix les propietats de tots dos: és capaç, alhora, de captar fotons de l'espectre visible (com el KBNNO) i de dirigir els electrons amb una polaritat determinada (com el KNbO 3 ).
Cal assenyalar que els components del nou material són força abundants en la natura, cosa que els fa econòmics, i que a més no són tòxics.
D'altra banda, les perovskites són més fàcils de processar que el silici que se sol fer servir en les cèl·lules solars fotovoltaiques convencionals.
Il·lustració del cristall amb estructura de perovskita desenvolupat per les universitats de Pennsilvània i Drexel, compost de niobat de potassi i de niobat de níquel-bari.
Les esferes blaves són àtoms de potassi; les verdes, àtoms de bari; els octaedres, amb àtoms d'oxigen als vèrtexs, es representen en taronja si l'àtom metàl·lic que contenen és niobi, i en gris, si a l'interior hi ha níquel.
L'objectiu dels investigadors va ser trobar les proporcions correctes de cada element en el compost final a fi d'obtenir un producte capaç d'absorbir la llum i romandre polar alhora per tal de dirigir els electrons en una determinada direcció. (© Felice Macera, University of Pennsylvania)