Opinión

Efectos cuánticos en la eficiencia de celdas solares orgánicas

Las celdas orgánicas solares son celdas fotovoltaicas basadas en electrónica orgánica en donde polímeros conductores de electricidad absorben luz y transportan carga eléctrica para producir electricidad a partir de la luz solar.

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Por: Vicente Aboites

Las celdas orgánicas solares son celdas fotovoltaicas basadas en electrónica orgánica en donde polímeros conductores de electricidad absorben luz y transportan carga eléctrica para producir electricidad a partir de la luz solar.

Estas celdas tienen muchas ventajas sobre los paneles solares fotovoltaicos convencionales, principalmente son baratos, ecológicos y menos contaminantes de producir, sin embargo su principal desventaja es que presentan una baja eficiencia comparada con la de celdas inorgánicas fotovoltaicas como las fabricadas en base al silicio.

Abordar el problema de la baja eficiencia de estas celdas es crítico para el desarrollo de esta alternativa energética real.

Científicos de la Universidad de Dresden en Alemania y de la Universidad Hasselt de Bélgica han investigado las causas físicas que limitan la eficiencia de estas celdas solares orgánicas. Su voltaje de operación es bajo y esto limita su eficiencia. En los estudios realizados se ha investigado el efecto de las vibraciones moleculares en películas delgadas llegando a su base cuántica fundamental, en particular se analizó el efecto de las vibraciones cuánticas de punto cero. Descubrieron que estas vibraciones son importantes en las pérdidas de voltaje. (Ver: M. Panhans et al., “Molecular vibrations reduce the maximum achievable photovoltage in organic solar cells”. Nature Communications, 2020; 11 (1)).

Los autores encontraron que estas vibraciones causan una reemisión de parte de la energía lo cual reduce el voltaje de operación de circuito abierto. Las pérdidas de voltaje pueden ser predichas a partir de los parámetros de vibración molecular. Lo inusual es que este efecto es importante aún a temperatura ambiente y puede reducir la eficiencia global de la celda.

A partir de estos resultados nuevas estrategias para reducir las pérdidas de voltaje inducidas por vibración están siendo diseñadas. ¿Pero qué cosa son las vibraciones cuánticas de punto cero?

La energía de punto cero es la mínima energía posible que un sistema mecánico cuántico puede tener.  A diferencia de los sistemas mecánicos clásicos, los sistemas cuánticos en los cuales se aplica el principio de incertidumbre de Heisenberg se encuentran en un estado permanente de vibración aún a su más bajo nivel de energía.

Lo sorprendente es que no solo los átomos y moléculas pueden tener esta propiedad de mínima energía sino también el espacio vacío pues de acuerdo a la teoría cuántica de campos el universo puede pensarse no solamente como partículas aisladas sino como un continuo de campos fluctuantes.

Los campos de materia están formados por cuantos de energía llamados fermiones (i.e. leptones o cuarks), los campos de fuerza están formados por cuantos de bosones (i.e. fotones y gluones) y todos estos campos tienen una energía de punto cero.

Lo importante es que todo sistema cuántico está permanentemente sujeto a vibraciones que evitan que su mínima energía sea cero.

La más baja energía de todo sistema cuántico (llamada energía de punto cero) tiene un valor diferente de cero. La historia de la energía de punto cero es una de las más interesantes de la ciencia pues de hecho inicia con la idea de “vacío” que fue discutida por varios filósofos de la Grecia antigua incluido Aristóteles.

El tema evoluciona a lo que posteriormente sería tomado como “éter” hasta llegar a las teorías cuánticas desarrolladas durante el siglo XX.  La energía de punto cero es de enorme importancia en la física por ejemplo en el Efecto Casimir, el Corrimiento espectral de Lamb, la Constante de Estructura Fina del universo, la birrefringencia del vacío. Así mismo se especula que esta energía también está relacionada con la llamada Energía Oscura, la Inflación Cósmica, fenómenos Emergentes y Caóticos, así como en teorías físicas alternativas.

En opinión de quien esto escribe el asunto es tan interesante que merece un artículo exclusivo que posiblemente goce de la generosidad de los lectores de esta columna.

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