Durante la última década, las células fotovoltaicas (PC, por sus siglas en inglés) han captado mucha atención en todo el mundo como fuentes prometedoras de energía renovable. Sin embargo, las PC aún no han logrado alcanzar eficiencias de conversión de luz a electricidad lo suficientemente altas como para ser adoptadas ampliamente, por lo que los científicos están en busca de nuevos materiales y diseños con mejores prestaciones.
Dos de los tipos de PC más estudiados son las PC de perovskita y las PC de carburo de silicio amorfo (a-SiC:H), cada una con sus propias limitaciones. Las PC de perovskita sufren dos desventajas principales: en primer lugar, aunque la radiación solar abarca longitudes de onda que van desde el infrarrojo cercano hasta la luz ultravioleta (UV), las PC de perovskita utilizan solo una pequeña parte de este espectro, lo que lleva a una baja eficiencia de conversión de energía. En segundo lugar, son vulnerables a la fotodegradación causada por la exposición a la luz UV de alta intensidad. Por otro lado, las PC de a-SiC:H no pueden aprovechar eficazmente la luz UV debido a una falta de coincidencia entre el perfil espectral de la luz solar y la respuesta espectral de los materiales de a-SiC:H.
Pero, ¿y si estos problemas se pudieran resolver simplemente aplicando una capa transparente especial sobre la PC? En un estudio reciente publicado en el Journal of Photonics for Energy, un equipo de investigación liderado por el Dr. Pei Song de la Universidad de Ciencia y Tecnología de Shanghai, China, desarrolló un novedoso convertidor espectral solar utilizando un material de vidrio-cerámica (GC, por sus siglas en inglés) de GdPO4 dopado con iones de praseodimio (Pr) y europio (Eu). Esta tecnología podría llevar a mejoras notables en el rendimiento y la aplicabilidad en las células solares.
El propósito principal de GdPO4-GC:Eu3+/Pr3+ es absorber fotones UV de la radiación solar y reemitirlos como luz visible. Esto es posible gracias a la eficiente transferencia de energía que ocurre entre los iones en el material. Cuando un fotón UV golpea un ion Pr3+, genera un estado electrónico excitado. Esta energía acumulada tiene una alta probabilidad de ser transferida a un ion Gd3+, que libera parte de ella antes de transferir el resto a un ion Eu3+. Como resultado, los estados electrónicamente excitados en el ion Eu3+ experimentan una transición descendente a estados de energía más bajos, emitiendo luz visible. Varios experimentos confirmaron que los iones Gd3+ actúan como puentes entre los iones Pr3+ y Eu3+ en estas transiciones de energía. De esta manera, una capa delgada y transparente de GdPO4-GC:Eu3+/Pr3+ aplicada sobre una PC no solo la protege de los fotones UV, sino que también le proporciona luz adicional. Además, este efecto protector ayuda a prevenir la fotodegradación en las PC de perovskita.
Al mismo tiempo, tanto en las PC de perovskita como en las PC de a-SiC:H, la capa de conversión espectral ayuda al sistema en general a aprovechar la energía de la radiación solar de manera más eficiente al hacerlo «sensible» a los fotones UV, que de otra manera se perderían.
Es importante destacar que el material propuesto GdPO4-GC:Eu3+/Pr3+ se puede sintetizar de manera sencilla mediante un proceso convencional de fundición rápida. Además, dado que el material también es notablemente estable, parece prometedor como capa protectora para las PC utilizadas en estaciones espaciales. «En la actualidad, las estaciones espaciales en expansión requieren un mayor soporte de energía y necesitan PC de alto rendimiento. Al cubrir la parte superior de una PC con el material propuesto de conversión espectral y utilizando una tecnología adecuada de encapsulación y sellado, podemos garantizar niveles de humedad muy bajos y un eficiente reciclaje de UV», explica Song. «Además, los materiales GC tienen una textura dura, por lo que pueden proteger a las PC de ser golpeadas por pequeños escombros flotantes en el espacio».
Serán necesarios más estudios para mejorar aún más la eficiencia de las PC mediante el uso de materiales GC dopados como convertidores espectrales. Los investigadores señalan que trabajos futuros podrían centrarse en mejorar la rentabilidad ajustando las concentraciones de dopaje y optimizando el grosor de la capa protectora. «Con posibles aplicaciones tanto en PC terrestres como espaciales, el desarrollo de vidrio-cerámicas dopadas con Pr3+/Eu3+ para el descenso espectral podría abrir nuevos caminos para lograr un mejor rendimiento en dispositivos fotovoltaicos», concluye Song.
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