El Sol baña la Tierra cada segundo con una cantidad de energía inabarcable, pero la tecnología humana sufre de un grave problema de miopía a la hora de capturarla. Hasta ahora, las células solares tradicionales se han topado con un «techo físico» infranqueable que les impide aprovechar la mayor parte de esta luz. Este límite teórico dictaba que, hagamos lo que hagamos, un panel convencional solo puede aprovechar alrededor de un tercio de la luz solar entrante.
Las reglas del juego han cambiado. Un equipo internacional de investigadores ha logrado lo que hasta hace poco se consideraba imposible: desarrollar un sistema que alcanza una eficiencia de conversión de energía cercana al 130%. En términos sencillos, el nuevo diseño es capaz de producir más portadores de energía que los fotones (las partículas de luz) que absorbe. La llave maestra detrás de este avance de ciencia ficción no es un nuevo y exótico material sintético, sino un viejo conocido de la industria pesada: el molibdeno.
La carrera de relevos cuántica. Para entender la magnitud de este hallazgo, hay que mirar dentro de un panel solar. Como explican desde la Universidad de Kyushu (Japón), la generación de electricidad a partir del sol es como una carrera de relevos microscópica: los fotones golpean un material semiconductor y pasan su energía a los electrones, poniéndolos en movimiento para crear una corriente.
El problema, detalla la universidad, es que no todos los «corredores» son iguales. Los fotones infrarrojos tienen muy poca energía para activar a los electrones, mientras que los fotones de luz azul tienen demasiada, y el exceso se pierde inútilmente en forma de calor. Esta frustrante limitación es lo que la física conoce como el límite de Shockley-Queisser.
Saltando el muro. Los científicos han recurrido a una «tecnología de ensueño» conocida como fisión de singlete (SF). De acuerdo con el estudio publicado en la revista Journal of the American Chemical Society (JACS), la fisión de singlete permite que un solo fotón de alta energía se «divida» en dos paquetes de energía más pequeños (excitones). Es el equivalente a comprar un billete de lotería y que te den dos premios.
«Tenemos dos estrategias principales para superar este límite», explica Yoichi Sasaki, profesor asociado de la Facultad de Ingeniería de la Universidad de Kyushu. «Una es usar la fisión de singlete para generar dos excitones a partir de un solo fotón».
Pero había una trampa. Sasaki señala que, en condiciones normales, esta energía extra es «robada» inmediatamente por un mecanismo parásito llamado transferencia de energía de resonancia de Förster (FRET). El premio se esfumaba antes de poder cobrarlo.
Aquí es donde entra el héroe de la historia. Según detalla la investigación de JACS, los científicos diseñaron un complejo metálico basado en molibdeno que actúa como un emisor «spin-flip» (inversión de espín). Al absorber la luz, un electrón de este material de molibdeno cambia su espín, lo que le permite capturar selectivamente esa energía multiplicada y bloquear al «ladrón» (FRET). El molibdeno logra, por primera vez de forma eficiente, recolectar el doble de energía.
El papel del molibdeno. Históricamente, el molibdeno ha sido valorado por ser un metal refractario extremo. El molibdeno tiene un punto de fusión brutal de 2620 °C, una baja expansión térmica y una excelente conductividad eléctrica y térmica. Estas propiedades lo hacen indispensable hoy en día para fabricar crisoles que resisten vidrio fundido, placas base para semiconductores y componentes para la electrónica de potencia que deben disipar calor de manera confiable.
Esa misma estabilidad dimensional y conductividad térmica son las que han permitido afinar sus propiedades químicas a nivel molecular para el «spin-flip». Sin embargo, tal y como advierte la Universidad de Kyushu, estamos ante una prueba de concepto. El impresionante rendimiento del 130% se ha logrado en un entorno de laboratorio, combinando el complejo de molibdeno con materiales basados en tetraceno en una solución líquida. El próximo gran reto de la ingeniería será llevar esta solución del líquido al estado sólido.
Un salto cuántico forjado en equipo. Este hito nació de la colaboración con la Universidad Johannes Gutenberg (JGU) de Alemania. Fue el investigador Adrian Sauer quien conectó los estudios alemanes sobre el molibdeno con los esfuerzos del equipo japonés. La sinergia fue rotunda: el estudio de JACS certifica rendimientos cuánticos de entre el 112% y un asombroso 132%, logrando activar una media de 1,3 complejos de molibdeno por cada fotón absorbido.
Pero la onda expansiva de este descubrimiento trasciende los paneles solares. Tanto JACS como la Universidad de Kyushu destacan que dominar esta recolección de energía allana el camino hacia diodos emisores de luz (LEDs) ultraeficientes y promete revolucionar herramientas clave para la espintrónica y la emergente industria cuántica.
El final del techo físico. El límite del 100% de eficiencia en la captura de luz solar ha sido, durante décadas, un dogma inquebrantable en la física de materiales. Hoy sabemos que no era una pared de ladrillo, sino una puerta cerrada que solo necesitaba la llave adecuada.
Resulta fascinante comprobar cómo esa llave estaba escondida en el molibdeno, un elemento de la vieja guardia industrial, forjado en altas temperaturas y conocido por su extrema resistencia. Al fusionar la fuerza centenaria de la química de metales de transición con la vanguardia de la fisión de singlete, la ciencia ha demostrado que aún estamos muy lejos de tocar techo en nuestra carrera por exprimir cada fotón que nos regala el Sol.
Imagen | Freepik y John Chapman
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La noticia
Aprovechábamos solo un tercio de la luz solar: ahora sabemos cómo usar el molibdeno para exprimir cada fotón al máximo
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Xataka
por
Alba Otero
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