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Enciendes una célula solar y esperas que los electrones fluyan. Pero hay un momento, invisible y brevísimo, en el que una parte de ellos simplemente se para. Un nuevo estudio publicado en Physical Review B acaba de explicar por qué.

El hallazgo. Investigadores del Instituto Madrileño de Estudios Avanzados en Nanociencia (IMDEA Nanociencia) y el Instituto Max Planck de Investigación de Polímeros de Alemania (MPIP) han descubierto que, en el silicio, los electrones fotoexcitados no se activan de inmediato cuando reciben luz. Durante unos pocos picosegundos (millonésimas de millonésima de segundo) quedan atascados en pequeñas trampas del material antes de poder circular y generar corriente. El responsable tiene nombre: un cuello de botella de fonones.

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Qué son los fonones y por qué importan. El silicio tiene una peculiaridad frente a otros materiales: para que un electrón se libere al recibir luz, no basta con los fotones. Según cuenta IMDEA Nanociencia en su nota, también necesita la colaboración de los fonones, que son las vibraciones de la red cristalina del propio material. Tal y como se ha descubierto, cuando escasean esas vibraciones en el momento justo, los electrones quedan temporalmente atrapados en defectos superficiales cerca del borde de la banda de energía.

Lo que nadie esperaba encontrar. El propio Enrique Cánovas, uno de los autores del estudio, reconoce que el descubrimiento fue accidental. “Lo que observamos fue un accidente. Esperábamos una respuesta instantánea, pero en su lugar vimos que los electrones se tomaban un respiro”, señala. Hasta ahora, el cuello de botella de fonones se conocía en situaciones de alta energía, cuando el silicio se excitaba con electrones muy energéticos. 

Este es el primer registro experimental del fenómeno con excitaciones de baja energía, las que se producen con luz infrarroja cercana, o incluso por debajo, del umbral de absorción del material. Territorio hasta ahora inexplorado.

Por qué tiene relevancia práctica. El silicio es el corazón de la inmensa mayoría de los paneles solares del mundo. Cualquier ineficiencia en cómo sus electrones responden a la luz tiene consecuencias directas en el rendimiento de esas células fotovoltaicas. Entender que existe este retraso transitorio, y que tiene una causa identificable, abre la puerta a dos posibles caminos: diseñar materiales o estructuras que minimicen ese atasco, o incluso aprovecharlo de forma controlada para mejorar el comportamiento del dispositivo.

Queda ver si el impacto de este fenómeno es lo suficientemente significativo como para justificar rediseños en la fabricación de células solares y sistemas fotovoltaicos.

Imagen de portada | yue chan

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La noticia Acabamos de descubrir que el silicio tiene un cuello de botella invisible, y eso tiene un impacto directo en nuestros paneles solares fue publicada originalmente en Xataka por Antonio Vallejo .