Un avance revolucionario en nanocristales transforma la conversión de luz infrarroja

El dopaje sistemático con cobre aumenta la utilización total de energía solar en el tungstico ácido nanocristales.

La luz del sol es una fuente inagotable de energía y utilizar la luz solar para generar electricidad es uno de los pilares de las energías renovables. Más del 40% de la luz solar que incide sobre la Tierra cae dentro de los espectros infrarrojo, visible y ultravioleta; sin embargo, la tecnología solar actual utiliza principalmente rayos visibles y ultravioleta. La tecnología para utilizar todo el espectro de la radiación solar, denominada utilización total del sol, está todavía en sus inicios.

Resultados de la investigación de la Universidad de Hokkaido

Un equipo de investigadores de Universidad de Hokkaido, dirigido por el profesor asociado Melbert Jeem y el profesor Seiichi Watanabe de la Facultad de Ingeniería, sintetizó materiales a base de ácido tungstico dopados con cobre que mostraron un uso solar completo. Sus hallazgos fueron publicados recientemente en la revista Material avanzado.

“Actualmente, el espectro de radiación solar del infrarrojo cercano y medio, que oscila entre 800 nm y 2500 nm, no se utiliza para la producción de energía”, explica Jeem. «El ácido tungstico es un candidato para el desarrollo de nanomateriales que potencialmente puedan utilizar este espectro, ya que tiene una estructura cristalina con defectos que absorben estas longitudes de onda».

Un resumen de la absorción de luz relativa de los cristales de ácido tungstico que van desde la luz ultravioleta hasta la infrarroja. 1, 5 y 10 son las concentraciones de cobre que determinan la optocriticidad de los nanocristales. Crédito: Melbert Jeem, et al. Material avanzado. 29 de julio de 2023

Metodología y resultados

Los científicos utilizaron una técnica de fotofabricación que habían desarrollado previamente, la fotosíntesis de cristalitos sumergidos, para sintetizar nanocristales de ácido tungstico dopados con concentraciones variables de cobre. Se analizaron las estructuras y propiedades de absorción de luz de estos nanocristales; Se midieron sus características fototérmicas, de evaporación de agua fotoasistida y fotoelectroquímicas.

Los nanocristales de óxido de tungsteno dopados con cobre absorben la luz en todo el espectro, desde la luz ultravioleta hasta la luz visible y la infrarroja; la cantidad de luz infrarroja absorbida fue mayor con un dopaje de cobre al 1%. Los nanocristales dopados con 1% y 5% de cobre mostraron el mayor aumento de temperatura (característica fototérmica); Los cristales dopados con 1% de cobre también mostraron la mayor eficiencia de evaporación de agua, con aproximadamente 1,0 kg por m2 por hora. El análisis estructural de nanocristales dopados con cobre al 1% indicó que los iones de cobre podrían distorsionar la estructura cristalina del óxido de tungsteno, lo que lleva a las características observadas cuando se absorbe la luz.

Observaciones finales

«Nuestros hallazgos marcan un avance significativo en el diseño de nanocristalitos capaces de sintetizar y aprovechar la energía solar», concluye Watanabe. “Hemos demostrado que el dopaje con cobre confiere a los nanocristales de ácido tungstico una variedad de características mediante la explotación totalmente solar. Esto proporciona un marco para futuras investigaciones de campo y desarrollo de aplicaciones».

Referencia: “Etapas optocríticas impulsadas por defectos adaptadas para uso totalmente solar” por Melbert Jeem, Ayaka Hayano, Hiroto Miyashita, Mahiro Nishimura, Kohei Fukuroi, Hsueh-I Lin, Lihua Zhang y Seiichi Watanabe, 29 de julio de 2023, Material avanzado.
DOI: 10.1002/adma.202305494

Este trabajo fue apoyado por la Sociedad Japonesa para la Promoción de la Ciencia (JSPS) KAKENHI (20H00295, 21K04823). Este trabajo se llevó a cabo en parte a través de un sistema de supercomputadora en el Centro de Iniciativa de Información de la Universidad de Hokkaido. Este trabajo se realizó en la Universidad de Hokkaido, con el apoyo de la Infraestructura de Investigación Avanzada para Materiales y Nanotecnología en Japón (ARIM) del Ministerio de Educación, Cultura, Deportes, Ciencia y Tecnología (MEXT).