Los rayos solares son una fuente de energía abundante y limpia que se está volviendo cada vez más importante a medida que el mundo trabaja para alejarse de las fuentes de energía que contribuyen al calentamiento global. Pero los métodos actuales de recolección de cargas solares son costosos e ineficientes, con un límite de eficiencia teórica del 33 por ciento.
Los nuevos nanomateriales desarrollados por investigadores en el Centro de Investigación de Ciencia Avanzada (ASRC) en el Centro de Graduados de la Universidad de la Ciudad de Nueva York (CUNY) podrían proporcionar un camino hacia una recolección más eficiente y potencialmente asequible de la energía solar.
Los materiales, creados por científicos con la Iniciativa de Nanociencia de ASRC, utilizan un proceso llamado fisión singlete para producir y extender la vida útil de los electrones generados por la luz. El descubrimiento se describe en un artículo recientemente publicado en el Journal of Physical Chemistry. Las primeras investigaciones sugieren que estos materiales podrían crear más cargas útiles y aumentar la eficiencia teórica de las células solares hasta en un 44 por ciento.
“Modificamos algunas de las moléculas en los tintes industriales de uso común para crear materiales de autoensamblaje que faciliten un mayor rendimiento de los electrones extraíbles y extiendan la vida útil de los electrones en el estado, dándonos más tiempo para recolectarlos en una célula solar“, dijo Andrew Levine, autor principal del artículo y Ph.D. estudiante en el Centro de Graduados.
El proceso de autoensamblaje, explicó Levine, hace que las moléculas de colorante se apilen de una manera particular. Este apilamiento permite que los colorantes que han absorbido los fotones solares se acoplen y compartan energía con, o “exciten”, los colorantes vecinos. Los electrones en estos colorantes luego se desacoplan para que puedan ser recolectados como energía solar aprovechable
Metodología y hallazgos
Para desarrollar los materiales, los investigadores combinaron varias versiones de dos tintes industriales de uso frecuente: el dicetopirrolopirrol (DPP) y el rileno. Esto dio lugar a la formación de seis superestructuras de autoensamblaje, que los científicos investigaron mediante microscopía electrónica y espectroscopia avanzada. Encontraron que cada combinación tenía diferencias sutiles en la geometría que afectaban los estados excitados de los tintes, la aparición de fisión singlete y el rendimiento y la vida útil de los electrones extraíbles.
“Este trabajo nos proporciona una biblioteca de nanomateriales que podemos estudiar para cosechar energía solar“, dijo el profesor Adam Braunschweig, investigador principal del estudio y profesor asociado de la Iniciativa de Nanociencia de ASRC y los Departamentos de Química en Hunter College y The Graduate Center. “Nuestro método para combinar los tintes en materiales funcionales mediante el autoensamblaje significa que podemos ajustar cuidadosamente sus propiedades y aumentar la eficiencia del proceso crítico de recolección de luz“.
La capacidad de los materiales para autoensamblarse también podría acortar el tiempo para crear células solares comercialmente viables, dijeron los investigadores, y resultar más asequible que los métodos de fabricación actuales, que se basan en el proceso de síntesis molecular que consume mucho tiempo.
El próximo reto del equipo de investigación es desarrollar un método para recolectar las cargas solares creadas por sus nuevos nanomateriales. Actualmente, están trabajando para diseñar una molécula de rileno que pueda aceptar el electrón de la molécula DPP después del proceso de fisión singlete. Si tiene éxito, estos materiales iniciarían el proceso de fisión singlete y facilitarían la transferencia de carga a una célula solar.
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