El efecto fotovoltaico de los cristales ferroeléctricos puede incrementarse en un factor de 1000 si se disponen periódicamente tres materiales diferentes en una red. Así lo ha revelado un estudio realizado por investigadores de la Universidad Martin Luther Halle-Wittenberg (MLU). Lo lograron creando capas cristalinas de titanato de bario, titanato de estroncio y titanato de calcio que colocaron alternativamente una encima de la otra. Sus hallazgos, que podrían aumentar significativamente la eficiencia de las células solares, se publicaron en la revista «Science Advances».
La mayoría de las células solares actualmente están basadas en silicio; sin embargo, su eficiencia es limitada. Esto ha llevado a los investigadores a examinar nuevos materiales, como ferroeléctricos como el titanato de bario, un óxido mixto hecho de bario y titanio.
«Ferroeléctrico significa que el material tiene cargas positivas y negativas separadas espacialmente», explica el físico Dr. Akash Bhatnagar del Centro de Competencia de Innovación SiLi-nano de MLU. «La separación de carga conduce a una estructura asimétrica que permite generar electricidad a partir de la luz». A diferencia del silicio, los cristales ferroeléctricos no requieren la llamada unión pn para crear el efecto fotovoltaico, en otras palabras, no necesitan capas dopadas positiva y negativamente. Esto hace que sea mucho más fácil producir los paneles solares.
Sin embargo, el titanato de bario puro no absorbe mucha luz solar y, en consecuencia, genera una fotocorriente comparativamente baja. Las últimas investigaciones han demostrado que la combinación de capas extremadamente finas de diferentes materiales aumenta significativamente el rendimiento de la energía solar. «Lo importante aquí es que se alterna un material ferroeléctrico con un material paraeléctrico. Si bien este último no tiene cargas separadas, puede volverse ferroeléctrico en determinadas condiciones, por ejemplo a bajas temperaturas o cuando su estructura química se modifica levemente», explica. Bhatnagar.
El grupo de investigación de Bhatnagar descubrió que el efecto fotovoltaico aumenta mucho si la capa ferroeléctrica alterna no solo con una, sino con dos capas paraeléctricas diferentes. Yeseul Yun, estudiante de doctorado en MLU y primer autor del estudio, explica: «Incrustamos el titanato de bario entre el titanato de estroncio y el titanato de calcio. Esto se logró vaporizando los cristales con un láser de alta potencia y redepositándolos en sustratos portadores. Esto produjo un material hecho de 500 capas que tiene un grosor de unos 200 nanómetros».
Al realizar las mediciones fotoeléctricas, el nuevo material se irradió con luz láser. El resultado sorprendió incluso al grupo de investigación: en comparación con el titanato de bario puro de un espesor similar, el flujo de corriente era hasta 1000 veces más fuerte, y esto a pesar de que la proporción de titanato de bario como componente fotoeléctrico principal se redujo en casi dos tercios. . «La interacción entre las capas de la red parece conducir a una permitividad mucho mayor; en otras palabras, los electrones pueden fluir mucho más fácilmente debido a la excitación de los fotones de luz», explica Akash Bhatnagar. Las mediciones también mostraron que este efecto es muy robusto: se mantuvo casi constante durante un período de seis meses.
Ahora se deben realizar más investigaciones para descubrir exactamente qué causa el efecto fotoeléctrico sobresaliente. Bhatnagar confía en que el potencial demostrado por el nuevo concepto se puede utilizar para aplicaciones prácticas en paneles solares. «La estructura de capas muestra un mayor rendimiento en todos los rangos de temperatura que los ferroeléctricos puros. Los cristales también son significativamente más duraderos y no requieren un embalaje especial».