Informe sobre el Desarrollo de un Dispositivo para Control Magnético en el Efecto Fotovoltaico a Granel (BPVE) en Japón

Introducción

Investigadores de la Universidad de Kyoto, Japón, han desarrollado un dispositivo innovador que permite el control mediante un campo magnético externo de la corriente de inyección magnética en el efecto fotovoltaico a granel (Bulk Photovoltaic Effect, BPVE). Este fenómeno, aún no explotado en células solares comerciales, presenta un potencial significativo para la regulación de la fotocorriente en aplicaciones fotovoltaicas de próxima generación.

Contexto Científico y Tecnológico

1. Definición del BPVE:

   El BPVE es un fenómeno en el que un material genera corriente eléctrica directa bajo iluminación, sin necesidad de una unión p-n tradicional o heterounión. Se presenta en materiales homogéneos de fase única que carecen de simetría de inversión.

2. Importancia de la ruptura de simetrías:

   La corriente se manifiesta cuando se rompe la simetría de inversión temporal, característica de materiales magnéticos, lo que abre la puerta a nuevos efectos relacionados con el BPVE en sistemas magnéticos.

Desarrollo del Dispositivo

• Se fabricó un dispositivo de heteroestructura de van der Waals (vdW) combinando un semiconductor bidimensional monocapa de disulfuro de molibdeno (MoS₂) y un material magnético en capas de tiofosfato de cromo (CrPS₄).
• El MoS₂ y CrPS₄ fueron exfoliados mecánicamente de cristales a granel y ensamblados mediante un método de transferencia en seco para imitar la ruptura de la simetría espacial y temporal.
• Las heteroestructuras vdW inducen periodicidades emergentes como la superred de moiré, permitiendo controlar la simetría P, esencial para generar la fotocorriente espontánea bajo BPVE.

Resultados y Avances

1. Mediciones bajo iluminación y variación de temperatura y dirección del spin mostraron una fotocorriente espontánea que cambia con el campo magnético externo por debajo de la temperatura de Néel.
2. Se demostró que la corriente de inyección magnética puede ser controlada externamente, representando un avance significativo en la investigación del BPVE.
3. El control flexible de las simetrías espaciales y temporales mediante estructuras artificiales abre nuevas posibilidades para respuestas ópticas y generación de corriente inéditas.

Implicaciones para los Objetivos de Desarrollo Sostenible (ODS)

• ODS 7: Energía Asequible y No Contaminante

  El desarrollo de tecnologías fotovoltaicas avanzadas como el BPVE contribuye a la generación de energía limpia y eficiente, promoviendo el acceso a energía sostenible.

• ODS 9: Industria, Innovación e Infraestructura

  La innovación en materiales y dispositivos fotovoltaicos impulsa la industria tecnológica y fomenta infraestructuras resilientes y sostenibles.

• ODS 13: Acción por el Clima

  La mejora en tecnologías de captura de energía solar ayuda a mitigar el cambio climático mediante la reducción de emisiones de gases de efecto invernadero.

• ODS 12: Producción y Consumo Responsables

  El uso de materiales bidimensionales y técnicas avanzadas de fabricación contribuye a procesos más eficientes y sostenibles en la producción tecnológica.

Conclusiones y Aplicaciones Futuras

El estudio liderado por Kazunari Matsuda y su equipo ha demostrado que la manipulación de simetrías en heteroestructuras artificiales permite controlar la generación de corriente fotovoltaica de manera novedosa. Este avance no solo tiene aplicaciones potenciales en células solares de próxima generación, sino también en tecnologías como sensores ópticos, espintrónica y dispositivos de captura de energía.

Publicación Científica

Los resultados fueron publicados en el artículo titulado “Nonlinear photovoltaic effects in monolayer semiconductor and layered magnetic material hetero-interface with P– and T-symmetry broken system” en la revista Nature Communications.

1. Objetivos de Desarrollo Sostenible (ODS) abordados o conectados con los temas destacados en el artículo

1. ODS 7: Energía asequible y no contaminante
   • El artículo aborda el desarrollo de un dispositivo para controlar la corriente en el efecto fotovoltaico a granel (BPVE), lo que puede mejorar la eficiencia y regulación de células solares, contribuyendo a fuentes de energía más limpias y sostenibles.
2. ODS 9: Industria, innovación e infraestructura
   • La investigación sobre heteroestructuras artificiales y nuevos materiales bidimensionales representa innovación tecnológica y desarrollo de infraestructura científica avanzada.
3. ODS 13: Acción por el clima
   • El avance en tecnologías fotovoltaicas contribuye a la reducción de emisiones de gases de efecto invernadero al promover energías renovables y limpias.

2. Metas específicas de los ODS identificadas en función del contenido del artículo

1. Meta 7.2: Aumentar considerablemente la proporción de energía renovable en el conjunto de fuentes energéticas.
   • El desarrollo de dispositivos para mejorar la eficiencia de células solares está alineado con esta meta.
2. Meta 9.5: Mejorar la investigación científica, la capacidad tecnológica y la innovación.
   • El artículo destaca avances científicos y tecnológicos en materiales y dispositivos fotovoltaicos.
3. Meta 13.1: Fortalecer la resiliencia y la capacidad de adaptación frente a riesgos relacionados con el clima y los desastres naturales.
   • El uso de energías renovables como la solar ayuda a mitigar el cambio climático, contribuyendo indirectamente a esta meta.

3. Indicadores de los ODS mencionados o implícitos en el artículo para medir el progreso

1. Indicador 7.2.1: Proporción de energía renovable en el consumo total de energía final.
   • El artículo sugiere avances que podrían aumentar esta proporción mediante nuevas tecnologías solares.
2. Indicador 9.5.1: Gastos en investigación y desarrollo como proporción del PIB.
   • La investigación en heteroestructuras y materiales 2D refleja inversión en I+D que puede medirse con este indicador.
3. Indicador 13.1.1: Número de muertes, personas desaparecidas y personas afectadas por desastres relacionados con el clima.
   • Si bien no se menciona directamente, la adopción de tecnologías limpias como la solar contribuye a la mitigación del cambio climático y reducción de riesgos.

4. Tabla: ODS, metas e indicadores

Fuente: pv-magazine-latam.com