Científicos del MIT desarrollan una célula solar de silicio basada en la fisión de excitones singletes

Científicos en Estados Unidos han diseñado una célula solar de microhilos que, según se informa, podría permitir el acoplamiento de la fisión de singletes con el silicio. La clave de su logro fue una interfaz que transfiere los electrones y huecos secuencialmente al silicio en lugar de ambos al mismo tiempo.

mayo 26, 2025 Emiliano Bellini

Esquema de la célula solar.

Imagen: Instituto Tecnológico de Massachusetts, Joule, CC BY 4.0

Trabajando con un efecto conocido como fisión de excitones singletes (SF, por sus iniciales en inglés), científicos del Instituto Tecnológico de Massachusetts (MIT) han demostrado un novedoso concepto de célula solar de silicio que podría potencialmente superar el límite de eficiencia cuántica para dispositivos fotovoltaicos convencionales.

La fisión de excitones singletes es un efecto observado en ciertos materiales por el cual un solo fotón puede generar dos pares de electrón-hueco al ser absorbido en una célula solar, en lugar de solo uno. El efecto ha sido observado por científicos desde la década de 1970 y, aunque en la última década se ha convertido en un área importante de investigación para algunos de los principales institutos del mundo, traducir el efecto en una célula solar viable ha resultado complejo.

Las células solares de fisión de singletes pueden producir dos electrones a partir de un fotón, haciendo la célula más eficiente. Esto ocurre mediante un proceso mecánico cuántico donde un excitón singlete (un par electrón-hueco) se divide en dos excitones tripletes.

«Hasta ahora, solo teníamos evidencia indirecta de que es posible acoplar la fisión de excitones singletes al silicio», dijo el autor correspondiente de la investigación, Marc A. Baldo, a pv magazine. «El avance para nosotros fue diseñar una interfaz que transfiere los electrones y huecos secuencialmente al silicio en lugar de ambos al mismo tiempo».

En el estudio “Exciton fission enhanced silicon solar cell” (Célula solar de silicio mejorada por fisión de excitones), que fue publicado recientemente en Joule, los investigadores explicaron que diseñaron y construyeron una célula de microhilo (MW) con una interfaz basada en una película de oxinitruro de hafnio (HfOxNy) para mejorar el acoplamiento entre tetraceno (Tc) y silicio. El Tc y sus derivados son candidatos principales para la SF, ya que pueden formar estados de transferencia de carga y multi-excitónicos.

La interfaz también incluyó una capa delgada de óxido de aluminio (AlOx) para la pasivación, que evita que los portadores de carga transferidos se recombinen inmediatamente en la superficie del silicio, así como una capa de ftalocianina de zinc (ZnPc) como material donador de electrones. «Para minimizar la recombinación en la parte trasera, se añade una capa de campo posterior (BSF) con una profundidad de unión de 1 μm y un contacto posterior localizado», dijeron los científicos. «Se aplica un electrodo de microrejilla como electrodo frontal para recolectar eficientemente los portadores».

Los investigadores realizaron una serie de mediciones sobre el rendimiento de la célula y encontraron que depositar ZnPc y Tc en el dispositivo mejora la densidad de corriente de cortocircuito, con una disminución insignificante en el voltaje de circuito abierto y los factores de llenado, resultando en una mejora general en la eficiencia de conversión de energía.

El análisis también mostró que la eficiencia máxima de generación de carga por fotón absorbido en tetraceno es de alrededor del 138%, lo que los científicos dijeron que «supera cómodamente» el límite de eficiencia cuántica para las células solares de silicio convencionales.

«Esta tecnología competirá con conceptos de doble unión como los perovskitas sobre silicio», explicó Baldo. «Combinar la fisión de excitones con el silicio evita las restricciones de coincidencia de corriente y el enfoque promete la robustez bajo iluminación variable y la simplicidad típica de las uniones simples. Todavía queda mucho por hacer. Lo más importante es que necesitamos aumentar la eficiencia y demostrar que la tecnología puede ser estable bajo la luz solar».

«Observar fotocorriente proveniente de la fisión de excitones en una célula solar de silicio es una prueba de concepto de que el acoplamiento a la fisión de excitones singletes es una vía viable para aumentar la eficiencia de las células solares de silicio», concluyó Baldo. «Creo que ahora podemos afirmar que la fisión de excitones es un verdadero contendiente tecnológico en la competencia por nuevas tecnologías de células solares».

En 2023, investigadores del MIT y la Universidad de Virginia anunciaron planes para usar acenos, que son moléculas de benceno con propiedades optoelectrónicas únicas, en células solares de fisión de singletes. Su enfoque consistía en añadir ligandos de carbodicarbenos a acenos ya dopados con boro y nitrógeno.

En 2019, otro grupo de investigación del MIT demostró cómo la fisión de excitones singletes podría aplicarse a células solares de silicio y conducir a eficiencias de hasta el 35%. Afirmaron ser el primer grupo en transferir el efecto desde uno de los materiales «excitónicos» conocidos por exhibirlo, en ese caso también el tetraceno. Lograron la hazaña colocando una capa adicional de solo unos pocos átomos de grosor de oxinitruro de hafnio entre la célula solar de silicio y la capa excitónica de tetraceno.

Los investigadores del MIT describieron su trabajo como «sobrealimentar» las células solares de silicio y dijeron que difiere de los enfoques más comunes para aumentar la eficiencia de las células solares, que hoy en día se centran más en los conceptos de células en tándem. «Estamos añadiendo más corriente al silicio en lugar de hacer dos células», afirmaron en ese momento.

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