Opinión


¿Cómo sabemos que pasa adentro de una celda solar?

¿Cómo sabemos que pasa adentro de una celda solar? | La Crónica de Hoy

Ramón Carriles Jaimes*

Celdas solares, energías renovables, láseres ultrarrápidos. La energía eléctrica es fundamental para el funcionamiento del mundo moderno. Si bien existen diversos métodos para generar flujo eléctrico, en segmentos importantes de la población crece cada día más la conciencia de utilizar métodos limpios de producción; tanto para cuidar el medio ambiente para las futuras generaciones, como para tener una mejor calidad de vida. En este sentido, el desarrollo de celdas solares o fotovoltaicas cobra una gran relevancia pues pueden generar electricidad para autoconsumo o en lugares remotos, en dispositivos portátiles, o en grandes “granjas solares” para consumo industrial.

El mejoramiento de las tecnologías solares depende de mejorar la forma en que se construyen los dispositivos o en el mejor desempeño de los materiales utilizados para su fabricación. Una celda funciona absorbiendo luz solar y produciendo carga eléctrica en respuesta; el dispositivo extrae la carga generada a través de electrodos para su aprovechamiento. Frecuentemente sucede que la carga producida se queda atrapada dentro del material o que las cargas se recombinan antes de poder salir de la celda y algunos otros fenómenos que disminuyen la eficiencia de la celda. En la medida que se conoce qué les sucede a las cargas, después de generadas, se pueden buscar alternativas para mejorar su funcionamiento; por ejemplo, reemplazar los materiales, cambiar la estructura de los mismos, introducir un material extra, etc. Pero ¿cómo podemos estudiar lo que pasa adentro de un material con las cargas, por ejemplo, electrones? 

Existen varias formas para estudiar la llamada dinámica electrónica; es decir, cómo se mueven los electrones dentro de los materiales. En esta ocasión nos enfocaremos en cómo pueden utilizarse los láseres de pulsos ultra-cortos para dilucidar lo que sucede dentro de la celda en escalas de tiempo muy cortas usando una técnica llamada absorción transitoria. El láser en cuestión, parte del laboratorio de óptica ultrarrápida del Centro de Investigaciones en Óptica, A.C. en León, Gto. produce 1000 pulsos por segundo y cada uno de ellos tiene una duración de solo 0.000 000 000 000 05s (50 fs, femtosegundos). Estos pulsos pueden ser usados para “congelar” la acción, en una forma similar a la que una foto tomada en un cuarto obscuro con un flash rápido puede hacer que los movimientos parezcan estáticos; por ejemplo, una foto de un globo explotando o de una bala atravesando una lata.

Los experimentos se llevan a cabo dividiendo el pulso original en dos partes, una más intensa (llamada bombeo) que la otra (llamada prueba). El bombeo es enviado a la muestra y como tiene una intensidad alta hace que los portadores de carga (que pueden ser electrones) se “pongan en movimiento”; es decir, se exciten. El pulso de prueba viaja por una trayectoria exactamente de la misma longitud que el bombeo, de tal forma que llega a la muestra en el mismo instante. En la trayectoria de la prueba se integra una plataforma que puede hacerse más corta o larga según se quiera con una resolución de micrómetros. El modificar la distancia viajada por el pulso de prueba permite controlar su tiempo de llegada respecto al bombeo; si la plataforma se acorta (alarga) la prueba tiene que viajar una trayectoria menor (mayor) y por lo tanto llegará antes (después) que el bombeo. El experimento a realizar consiste barrer el retraso relativo mientras se monitorea la intensidad trasmitida del haz de prueba para ver qué le pasa cuando llega a diferentes tiempos después del bombeo. Con estas técnicas es posible estudiar el comportamiento de los electrones en los primeros nanosegundos (ns, 0.000 000 001s) después de ser excitadas con una resolución de alrededor de 100 fs.

Cuando la luz incide en un material, los electrones dentro de éste pueden absorber una parte de la energía de la luz y excitarse, es decir, pasan a un estado de energía más alto. Después de un tiempo, poco a poco los electrones regresan a su estado original. En el caso del bombeo, al tener una intensidad muy alta e incidir en la muestra, la gran mayoría de los electrones del material suben a estados excitados, al llegar la prueba ya no hay electrones para excitar por lo que este haz pasa sin ser absorbido. Al pasar el tiempo los electrones van regresando a su estado original y vuelven a poder absorber energía del haz de prueba, modificando la intensidad trasmitida. Estos cambios en la trasmisión de la prueba como función del tiempo relativo de llegada constituyen la información buscada.

Algunas veces sucede que en una celda hay trampas que capturan a los electrones y les impiden volver a su estado original, esto se vería en nuestros datos pues aún después de pasado un tiempo largo la trasmisión de la prueba no volvería a ser igual que la que era originalmente. La presencia de esas trampas es indeseable pues disminuyen la cantidad de carga disponible en la celda. Así mismo existen otros fenómenos indeseables en el funcionamiento de una celda que pueden ser monitoreados usando estas técnicas y al conocerlos, se pueden proponer estrategias para eliminarlos.  Este es un ejemplo más de como la ciencia puede contribuir a mejorar las tecnologías existentes para beneficio de todos y del medio ambiente.

*Doctor en física por la Universidad de Texas en Austin, actualmente es investigador titular en el Centro de Investigaciones en Óptica, A.C. y encargado técnico del laboratorio de óptica ultrarrápida. Puede ser contactado en ramon@cio.mx

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