Científicos del ICFO, el Instituto de Ciencias Fotónicas de Barcelona, liderados por Jordi Martorell Pena, han demostrado en el laboratorio que las células fotovoltaicas pueden generar más electricidad de la que consiguen en la actualidad. El equipo ha encontrado la manera de sortear una pérdida de eficiencia que se daba por inevitable en las células solares y que podría aumentar su eficiencia hasta el 43%, frente al techo teórico del 33,16% que se les atribuye hoy.

Una célula solar absorbe luz y la convierte en electricidad, pero por el camino pierde energía. Parte se va en forma de calor y otra parte son fotones que atraviesan la célula sin energía suficiente para generar electricidad. Esas son las pérdidas que más se estudian y, para reducirlas, la industria apuesta por los llamados tándem, células que combinan varias capas activas para aprovechar distintas partes del espectro solar.

El ICFO ha ido a por una tercera pérdida, la llamada pérdida de Boltzmann, que casi nadie había atacado hasta ahora. Nace de una idea que parece de sentido común: lo que absorbe luz también la emite. El problema es hacia dónde. Vista desde la Tierra, la luz del Sol llega en un cono muy estrecho. La célula, en cambio, devuelve luz en todas direcciones, casi como una bombilla en mitad de una habitación. Ese desajuste entre lo que entra y lo que sale reduce la energía que puede convertirse en electricidad.

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Una trampa de plata

Para frenar esa fuga, el equipo de Martorell convirtió la célula en una cavidad óptica, una especie de caja donde la luz rebota. Trabajaron con una célula orgánica, es decir, hecha de materiales basados en carbono, con una mezcla llamada PM6:Y6. En lugar del electrodo transparente habitual, pusieron una lámina de plata de unos pocos nanómetros en la parte frontal. Esa lámina, junto con otra capa de plata en la parte trasera y una estructura multicapa, forma la cavidad.

La cavidad reduce la emisión de luz a ángulos grandes y mantiene una alta transmisión en la dirección de entrada de la luz solar. Los resultados del estudio, publicado recientemente en la revista Energy & Environmental Science, de la Royal Society of Chemistry, apuntan a que funciona y, cuanto más gruesa es la plata frontal, menos luz emite la célula. Bernal Texca, uno de los autores del estudio, asegura que el diseño "no introduce ninguna complejidad adicional de fabricación, a diferencia de muchos de los enfoques que se exploran actualmente" para superar el límite.

De izquierda a derecha: Chiara Cortese, Francisco Bernal Texca y Jordi Martorell, en su laboratorio del ICFO. (ICFO.

En las pruebas de laboratorio, la mejor célula con cavidad alcanzó una eficiencia del 19,08%, frente al 18,23% de la mejor célula de referencia. Es la cifra más alta publicada para células PM6:Y6 de este tipo. Es una mejora de menos de un punto porcentual, y se queda muy lejos del 43%. Ese 43%, dice el equipo, es la eficiencia que se alcanzaría, teóricamente, si el cono de emisión coincidiera con el de absorción en un semiconductor con unas características concretas.

Aun así, Bernal Texca define el trabajo como un paso significativo que abre una ruta completamente inexplorada para superar el límite de Shockley–Queisser, y la comunidad científica tendrá que valorarlo.

Lo que falta por saber

Los autores creen que el principio no es exclusivo de lo orgánico. Martorell afirma que, aunque aquí se demuestre en una célula orgánica, es "en principio, aplicable a todas las tecnologías fotovoltaicas". El artículo lo condiciona a que la luz que regula la tensión de la célula se genere cerca de la capa donde se separan las cargas. De momento solo hay ensayos con esta mezcla orgánica, así que queda por ver qué ocurre con otros materiales, como el silicio de los paneles comerciales.

Francisco Bernal Texca en el laboratorio. (ICFO)

La mejora de la eficiencia también tiene implicaciones económicas. Para Martorell, lograr más eficiencia es esencial porque "se traduce directamente en un menor coste por vatio y en un uso más eficiente del suelo y de los materiales" al desplegar energía solar. Si el principio se confirma fuera del laboratorio, la fotovoltaica ganaría margen donde hoy parece no haberlo.