Investigadores de la Universidad de Paderborn (Alemania), usando el superordenador Hawk del centro de cómputo HLRS en Stuttgart —uno de los más potentes de Europa— descubrieron que ciertos defectos en el silicio de las células solares, lejos de ser un problema, pueden facilitar la captura de más energía lumínica. Los resultados, publicados en Physical Review Letters, cuestionan décadas de diseño solar centrado en eliminar imperfecciones. El mecanismo detrás del hallazgo es la fisión singlete: un proceso por el cual un fotón de alta energía puede generar dos electrones en lugar de uno.Llevo cubriendo innovación en energías renovables desde 2010, cuando las células de primera generación de silicio eran el estándar indiscutible y el objetivo de cada paper era subir la eficiencia un decimal. Este tipo de hallazgos —donde el obstáculo resulta ser el mecanismo— son los que más me interesan, porque obligan a replantear no solo el diseño sino la estrategia de fabricación.¿Qué son los dangling bonds y por qué nadie esperaba que fueran útiles?Los dangling bonds (enlaces colgantes) son átomos de silicio en las interfaces del material que no están completamente enlazados con sus vecinos. En el diseño clásico de células solares, estas imperfecciones se tratan como defectos que deben eliminarse porque actúan como trampas para los electrones generados por la luz. La simulación del equipo de Paderborn, liderada por el doctor Marvin Krenz y coordinada por el profesor Wolf Gero Schmidt, mostró algo contrario: en la interfaz entre silicio y una capa de tetraceno (un semiconductor orgánico), los dangling bonds facilitan la transferencia de energía de la capa orgánica al silicio.El mecanismo concreto es la fisión singlete. Cuando un fotón de alta energía impacta sobre el tetraceno, normalmente el exceso de energía —alrededor de 3 eV sobre los 1,1 eV que el silicio puede convertir— se pierde en forma de calor. La fisión singlete permite que ese fotón de alta energía genere dos estados excitados de baja energía (tripletes) que luego se transfieren al silicio para producir dos electrones. Los dangling bonds en la interfaz parecen ser el puente que hace posible esa transferencia de manera eficiente.El papel del superordenador Hawk y por qué hace falta esa potencia de cálculoEl Hawk del HLRS Stuttgart es necesario porque simular el comportamiento cuántico de la interfaz silicio-tetraceno a la escala de un dispositivo real requiere millones de cálculos por cada picosegundo de evolución del sistema. Las simulaciones de primeros principios —que calculan las propiedades electrónicas directamente de las ecuaciones cuánticas, sin aproximaciones empíricas— son computacionalmente prohibitivas en hardware convencional.La media de un panel solar actual convierte alrededor del 22% de la energía solar incidente en electricidad. El profesor Schmidt estima que aplicar la fisión singlete de forma consistente podría aumentar la eficiencia en un factor de 1,4, lo que llevaría la eficiencia teórica de las células híbridas tetraceno-silicio a alrededor del 31%. Es una mejora significativa en un sector donde cada punto porcentual requiere inversión masiva en I+D. Este hallazgo no reemplaza la necesidad de soluciones de almacenamiento como la batería solar que convierte luz en hidrógeno verde usando copolímeros, pero sí cambia el punto de partida energético desde el que esas soluciones tienen que trabajar.¿Cuánto podría mejorar realmente la eficiencia solar y cuándo llega a los paneles reales?La brecha entre el laboratorio y la producción industrial es el obstáculo habitual en células solares de nueva generación. En este caso, hay dos desafíos técnicos adicionales. Primero, el tetraceno es un material orgánico que degrada con mayor rapidez que el silicio bajo exposición prolongada al sol: la estabilidad a largo plazo de la capa orgánica es una barrera real. Segundo, depositar una capa homogénea de tetraceno sobre silicio a escala industrial sin introducir otros tipos de defectos que sí reduzcan la eficiencia es un problema de ingeniería de fabricación que no está resuelto.La eficiencia solar ha mejorado aproximadamente un 1% por año durante las últimas dos décadas, lo que da contexto a la magnitud de un salto de 22% a 31%. Hay también avances complementarios en el almacenamiento de la energía producida. La batería de arena de Finlandia y su enfoque al almacenamiento de calor renovable y el concreto multifuncional EC3 del MIT que almacena energía mientras soporta peso son parte del mismo ecosistema de materiales que está redefiniendo la cadena energética desde la captación hasta el almacenamiento. El hallazgo de Paderborn es relevante porque apunta a que la ruta de mejora no está solo en nuevos materiales como la perovskita, sino en entender mejor el material que ya domina el 95% del mercado solar: el silicio. Si el mecanismo de fisión singlete mediado por dangling bonds puede replicarse en fabricación, el impacto no sería sobre una tecnología de nicho sino sobre la base instalada de paneles solares de todo el mundo.La noticia Un superordenador europeo descubre que los defectos del silicio ayudan a capturar más energía solar fue publicada originalmente en Wwwhatsnew.com por Natalia Polo.