La luz del sol es una fuente inagotable de energía y utilizar la luz solar para generar electricidad es una de las piedras angulares de las energías renovables. Más del 40% de la luz solar que incide sobre la Tierra pertenece al espectro infrarrojo, visible y ultravioleta; sin embargo, la tecnología solar actual utiliza principalmente luz visible y ultravioleta. Las tecnologías que aprovechan todo el espectro de la radiación solar, conocida como energía solar total, aún están en su infancia.
(Izquierda) Nanocristal único de ácido tungstico dopado con cobre; (derecha) Imagen de resolución atómica del nanocristal.
Un equipo de investigación dirigido por los profesores asistentes Melbert Jeem y el profesor Seiichi Watanabe de la Facultad de Ingeniería de la Universidad de Hokkaido sintetizó un material a base de tungstato dopado con cobre que aprovecha plenamente la energía solar. Sus hallazgos fueron publicados recientemente en la revista Advanced Materials.
Jeem explica: "Actualmente, el espectro de radiación solar del infrarrojo cercano y medio (800 nm a 2500 nm) no se ha utilizado para generar electricidad. El ácido tungstico es un candidato para desarrollar nanomateriales que podrían explotar este espectro porque posee una estructura cristalina con defectos que absorben estas longitudes de onda".
Resumen de la absorción relativa de luz de los cristales de tungstato de la luz ultravioleta a la infrarroja. 1, 5 y 10 son las concentraciones de cobre que hacen que los nanocristales se vuelvan fotocríticos. Crédito de la imagen: MelbertJeem et al. Materiales avanzados. 29 de julio de 2023
Los científicos utilizaron una técnica de fotofabricación que habían desarrollado previamente, la fotosíntesis submarina de microcristales, para sintetizar nanocristales de tungstato dopados con concentraciones variables de cobre. Se analizó la estructura y propiedades de absorción de luz de estos nanocristales; Se midieron sus propiedades fototérmicas, de evaporación de agua fotoasistida y fotoelectroquímicas.
Los nanocristales de óxido de tungsteno dopados con cobre absorben todo el espectro de luz, desde la luz ultravioleta hasta la luz visible y la infrarroja; cuando la cantidad de dopaje con cobre es del 1%, la absorción de luz infrarroja es máxima. Los nanocristales dopados con cobre al 1% y al 5% muestran el mayor aumento de temperatura (propiedades fototérmicas); Los cristales dopados con cobre al 1% también muestran la mayor eficiencia de evaporación de agua, que es de aproximadamente 1,0 kilogramos por metro cuadrado por hora. El análisis estructural de nanocristales dopados con cobre al 1% reveló que los iones de cobre pueden distorsionar la estructura cristalina del óxido de tungsteno, provocando las propiedades observadas cuando se absorbe la luz.
"Nuestro descubrimiento marca un avance importante en el diseño de nanocristales capaces de sintetizar y aprovechar toda la energía solar", concluyó Watanabe. "Hemos demostrado que el dopaje con cobre imparte múltiples propiedades a los nanocristales de tungstato mediante la utilización total de la energía solar. Esto proporciona un marco para futuras investigaciones en esta área y el desarrollo de aplicaciones".