Desentrañando la física de los materiales fotoferroeléctricos

A día de hoy, la energía solar fotovoltaica ya es competitiva en términos de coste con otras fuentes de energía como los combustibles fósiles o la energía nuclear, y además, es limpia, renovable, infinita y cada día más eficiente. Sin embargo, la mayoría de los paneles solares fotovoltaicos actuales se basan en celdas solares hechas de silicio, cuya eficiencia de conversión está aún lejos de los límites teóricos (~30%), y tienen un tiempo de amortización alto. Es por ello que es necesario investigar nuevas tecnologías solares con componentes y arquitecturas simples, estables, de fácil procesado y escalable, y que puedan dar altas eficiencias de conversión. Recientemente ha resurgido un gran interés en los semiconductores ferroeléctricos para ser utilizados como materiales absorbentes en celdas solares. A diferencia de las celdas convencionales que utilizan una unión p-n,  en los materiales ferroeléctricos  (poseen una polarización eléctrica espontánea) la separación espontánea de cargas fotogeneradas tiene lugar en el seno de un único material y puede dar lugar a fotovoltajes muy superiores a su banda prohibida (bandgap). Estas características permiten vaticinar dispositivos más simples, de diseño más flexible, y con elevadas eficiencias (no hay límite teórico estimado) siendo más estables que las conocidas perovskitas haluro. Los avances más significativos se han conseguido utilizando materiales multiferroicos dando lugar a eficiencias de conversión de hasta el 8% en sistemas multicapa.  Sin embargo, el mecanismo físico que da lugar a este efecto fotovoltaico en ferroeléctricos (bulk photovoltaic effect) es poco conocido y por lo tanto es fundamental entender los principios físicos y qué factores dominan este efecto para poder diseñar absorbentes ferroeléctricos eficientes.  Además, más allá de la fotovoltaica, la interacción de la polarización eléctrica con la luz en ferroeléctricos puede dar lugar a una gran variedad de fenómenos interesantes como es la deformación inducida por luz despertando gran interés para diseñar sensores o memorias fotoferroeléctricas.

En el trabajo de revisión publicado en la revista Physics Reports se ofrece una descripción general de los principios físicos y mecanismos de la conversión de energía solar en ferroeléctricos, resaltando la importancia de parámetros como son los contactos e las intercaras entre materiales, así como los logros más importantes conseguidos en esta familia de materiales alentando la investigación de este fenómeno para generar conocimiento y nuevas aplicaciones.

Pilar Lopez-Varo, Luca Bertoluzzi, Juan Bisquert,  Marin Alexe, Mariona Coll, Jinsong Huang, Juan Antonio Jimenez-Tejada, Thomas Kirchartz, Riad Nechache, Federico Rosei, Yongbo Yuan. Physics Reports 653, 1 (2016).