La Conversión Ascendente de Fotones Podría Ampliar el Potencial del Hidrógeno Solar

Cuando se trata de convertir la luz solar en energía útil, se ha centrado mucho esfuerzo en la fotovoltaica, ya que es un método que puede convertir gran parte de la energía del Sol en electricidad.

Sin embargo, esto no significa que sea la opción más eficiente para todas las aplicaciones. Por ejemplo, si el objetivo es producir hidrógeno verde, se crea un proceso de varios pasos donde se pierde eficiencia en cada etapa: luz solar -> energía -> transmisión -> electrólisis -> hidrógeno.

Por eso se han investigado diferentes enfoques, destacando el uso directo de la luz solar para convertir agua en hidrógeno, un proceso conocido como fotocatálisis.

El problema es que, incluso con los catalizadores adecuados, la mayor parte de la luz solar está en los rangos visible e infrarrojo, que simplemente no son lo suficientemente energéticos para dividir las moléculas de agua en hidrógeno. Así que, incluso con silicio carburo que aumenta la eficiencia de la fotocatálisis, aún no es ideal. En gran parte, solo la parte ultravioleta (UV) del espectro lumínico es lo suficientemente fuerte.

Por eso el descubrimiento de investigadores japoneses de la Universidad de Kyushu y del Instituto de Ciencia Molecular, SOKENDAI, de que un nuevo método de estado sólido podría usarse para aumentar los niveles de energía de los fotones podría ser un cambio de juego para la futura producción de hidrógeno verde. Publicaron sus resultados en la prestigiosa revista Nature Communications¹, bajo el título “Sistemas π-electrónicos protegidos estéricamente para una conversión ascendente de fotones en estado sólido eficiente”.

De la Luz Visible a la Luz UV

La fotocatálisis del agua en hidrógeno podría impulsar radicalmente la producción de energía verde. Esto se debe a que el hidrógeno verde es un elemento clave que falta para almacenar energía durante semanas y meses de baja luz solar o sin viento, y también es el combustible perfecto para descarbonizar sectores como el transporte marítimo y la aviación, ya sea directamente o mediante la producción de amoníaco y combustible artificial. Pero, desafortunadamente, solo la luz UV es lo suficientemente fuerte para realizar la fotocatálisis.

“Aunque los fotocatalizadores inorgánicos que utilizan luz ultravioleta (UV) han logrado una división del agua fotocatalítica de alta eficiencia, sufren de la baja fracción de UV en la luz solar (aproximadamente 3% para el rango de 300–400 nm).”

Pero la alternativa podría no ser un mejor catalizador, sino convertir la luz visible, mucho más abundante, en UV, o “conversión ascendente de fotones”.

Los investigadores se centraron en un proceso llamado aniquilación de triplete‑triplete basado en la conversión ascendente de fotones (TTA-UC). En su explicación más simple, esto combina dos fotones de baja energía en un solo fotón de mayor energía al ser absorbidos por una molécula aceptora antes de ser reemitidos.

Fuente: Nature

Optimización de la Estabilidad de la Conversión Ascendente de Fotones

De Líquido a Cristales

Hasta ahora, los métodos de conversión ascendente que utilizan moléculas como  1,4-bis((triisopropylsilyl)ethynyl)naphthalene (TIPS-Nph) y 2,5-diphenyloxazole (PPO) tienen buenos rendimientos cuánticos (ΦUC), pero la volatilidad del disolvente representa una limitación crítica para aplicaciones en dispositivos y uso a largo plazo.

Una solución práctica consiste en necesitar materiales estables que puedan desplegarse a gran escala, con mantenimiento mínimo o nulo, de modo que se puedan instalar campos completos de convertidores fotocatalíticos para producir hidrógeno verde en masa.

En cristales y aceptores sólidos, un fenómeno llamado “apagado de singlete” puede reducir el rendimiento cuántico.

Los investigadores han utilizado la sustitución de cadenas alquilo (añadiendo cadenas de carbono más largas) en las moléculas orgánicas usadas como aceptores para aumentar tanto la estabilidad como reducir las ocurrencias de apagado de singlete.

Fuente: Nature

Medición del Rendimiento de los Cristales

Los investigadores usaron una molécula llamada DHI (5,10-dihydroindeno[2,1-a]indene) con un rendimiento cuántico casi perfecto del 96 % cuando está en forma líquida (solución). Pero normalmente su rendimiento disminuye drásticamente cuando está en forma cristalina.

Al añadir las cadenas de carbono adicionales a la molécula, la forma cristalina de DHI puede alcanzar rendimientos cuánticos tan altos como 64 %-69 %. Estos altos resultados indican que las moléculas donadoras están uniformemente dispersas dentro del cristal aceptor, lo que permite una sensibilización de triplete eficiente.

Fuente: Nature

El material también podría producirse con técnicas simples de formación de películas, como el colado a temperatura ambiente y el recubrimiento por centrifugado, sin requerir ningún tratamiento térmico especial, lo que lo hace más probable de ser relevante para cualquier futura aplicación industrial a gran escala.

El proceso también es tolerante al oxígeno e incluso lo requiere, lo que significa que no necesita ocurrir en un entorno sellado y libre de oxígeno, otro elemento importante para lograr aplicaciones comerciales.

“TTA-UC se activa cuando el oxígeno en el sistema se consume convirtiéndose en oxígeno singlete. La película iBu-DHI/Ir(ppy)3 mostró conversión ascendente en aire incluso bajo irradiación intensa (λdt = 370 nm, Iex = 2.0 W cm–2) durante más de 1 h.”

Fuente: Nature

El rendimiento de los cristales generalmente depende de la estructura microscópica a nivel atómico. Por lo tanto, los investigadores primero realizaron cálculos teóricos para determinar la posible estructura de estos cristales.

Luego probaron el cristal con cristalografía de rayos X y encontraron que los patrones de difracción de los cristales individuales y los de las películas recubiertas por centrifugado eran similares, lo que demuestra por qué este método funcionó.

Fuente: Nature

Esto no quiere decir que los cristales no puedan optimizarse más, con rendimientos aún más altos teóricamente posibles mediante un método más preciso para controlar la creación de los cristales individuales y su organización en una capa delgada.

“El rendimiento del presente sistema sólido Vis‑a‑UV TTA‑UC podría mejorarse aún más optimizando la estructura molecular del donador y empleando un proceso de cristalización controlado.”

Aplicaciones Futuras

Actualmente, la producción de hidrógeno está dominada por el “hidrógeno gris” producido a partir de combustibles fósiles, y una pequeña pero creciente porción se produce a partir de energía renovable, o “hidrógeno verde”, que aún tiene dificultades para ser económicamente competitivo con otros combustibles.

En última instancia, tomar directamente la luz solar y usarla para producir hidrógeno, sin una transmisión masiva de energía, baterías, cables y electrocatalizadores, podría reducir enormemente el precio total de dicha instalación. La ausencia de pasos intermedios también mejorará la eficiencia energética global de la producción de hidrógeno verde, un problema serio con los métodos que utilizan electrocatalisis.

“El principio de diseño de los cromóforos DHI protegidos por π desarrollado en este estudio se extenderá ampliamente a varios cromóforos. Permite excelentes propiedades TTA‑UC en películas delgadas preparadas mediante simples métodos de recubrimiento por centrifugado y vertido, allanando el camino para amplias aplicaciones y prometiendo revolucionar la química foto‑funcional que involucra tripletes excitados.”

Estos novedosos materiales de estado sólido con buena estabilidad podrían convertir en comercialmente viables los materiales fotónicos de próxima generación al convertir fotones de baja intensidad y abundantes en fotones UV de alta intensidad que generan hidrógeno.

Invertir en Energía Solar Avanzada

First Solar

Actualmente, la mayoría de los paneles fotovoltaicos del mundo se producen en China, gracias al extenso ecosistema del país en la producción de polisilicio y la fabricación de células solares.

Sin embargo, existe otra tecnología distinta a las células solares basadas en silicio, y uno de los supervivientes de la industria solar en Occidente, First Solar, lidera este campo, utilizando células solares de teluro de cadmio. Son más fáciles de producir (tecnología de película delgada) y tienen una mayor eficiencia que las células basadas en silicio, aunque con costos más altos para su materia prima.

Este tipo de célula también es más duradera, lo que puede cambiar la ecuación tanto para propietarios como para compañías de servicios públicos al calcular el costo de vida útil de una célula solar y su depreciación. Esto es especialmente cierto ya que el rápido progreso en el rendimiento de las células solares y la disminución de costos se ha desacelerado en los últimos años.

Fuente: First Solar

Dado que la producción de células de teluro de cadmio es un proceso de fabricación mayormente automatizado, es relativamente menos sensible a las diferencias en los costos laborales. Esto puede hacer que su producción en países occidentales sea mucho más competitiva, especialmente cuando se venden localmente, y elimina los costos de envío de la ecuación.

En lugar de múltiples fábricas, con cada actor especializado en un segmento como la purificación de polisilicio, y con muchos días para producir una célula solar, First Solar puede pasar de materias primas a producto terminado en menos de 4 horas.

Fuente: Department Of Energy

A largo plazo, First Solar espera poder reciclar completamente el teluro de cadmio de las células viejas, y el 90 % del total de las células solares. El 5‑10 % restante de los desechos de módulos reciclados consiste principalmente en finas partículas de vidrio, que son capturadas por sistemas de control de polvo y sistemas de filtración de Aire Particulado de Alta Eficiencia (HEPA).

Esto podría reducir los costos de materiales, eliminar el costo ecológico de la extracción de recursos y eliminar cualquier riesgo de contaminación.

“Con cada módulo vendido, también vendimos el servicio de recoger los módulos al final de su vida útil y reciclarlos. Eso fue básicamente 8 años antes de que la regulación llegara a Europa. Ahora tenemos la directiva de residuos electrónicos donde la PV es parte de ella.”

Andreas Wade – Global Sustainability Director at First Solar Future Techs

Además del teluro de cadmio, First Solar también está explorando tecnologías de células solares aún más avanzadas, como perovskita y células híbridas de teluro de cadmio‑perovskita, que podrían tener mayor eficiencia y aún más durabilidad.

A largo plazo, la experiencia de First Solar en la producción de paneles fotovoltaicos de película delgada también podría aplicarse a células fotocatalizadoras para la producción de hidrógeno.

En general, First Solar es una excelente acción para los inversores que buscan invertir en el auge de la energía solar con un enfoque en productores occidentales, en lugar de los productores chinos, más sensibles geopoliticamente.

(Puede leer más sobre First Solar en nuestro informe de inversión dedicado a la empresa y sobre energía solar en nuestro informe “The Solar Age – A Bright Future To Mankind”)

Últimas Noticias y Desarrollos de Acciones de First Solar (FSLR)

Estudio Referenciado

^{1. Harada, N., Shoyama, H., Boonmong, N. et al. Sistemas π-electrónicos protegidos estéricamente para una conversión ascendente de fotones en estado sólido eficiente. Nature Communications. 17, 5134 (2026). https&#58//doi.org/10.1038/s41467-026-73898-0}