En un avance que podría llevar a nuevas células solares que utilizen mejor la luz solar, unos investigadores del Caltech han diseñado unos materiales con la capacidad de doblar la luz visible en ángulos inusuales pero precisos, sin importar su polarización. Los científicos esperan que estos materiales representen un paso adelante hacia recubrimientos de células solares totalmente transparentes que dirigirían todos los rayos del sol hacia su área activa para mejorar la producción de energía solar.

Muchos grupos están trabajando en innovadores recubrimientos antirreflectantes para células solares con la esperanza de conseguir hacerles llegar más luz. El grupo del Caltech, que incluye a Harry Atwater, profesor de física aplicada y ciencias de los materiales, y el investigador Stanley Burgos, está abordando el problema adaptando con precisión la estructura de los materiales a escalas nano y micro, creando así “metamateriales" que exhiben propiedades ópticas que no se encuentran en los materiales naturales. En su obra más reciente, Atwater y sus colaboradores probaron un material que controla con precisión la trayectoria de la luz visible, independientemente de la polarización de ésta - algo que no se había conseguido nunca antes en el campo de los metamateriales.

El metamaterial del Caltech es una película de metal de varios cientos de nanómetros de espesor. Estas películas están grabadas con varias cavidades circulares, cada una de las cuales rodea una columna que podría parecer hecha de alambres del mismo material. El espacio entre el cable y la pared de la cavidad se rellena con un segundo metal. Dependiendo de las dimensiones de los patrones, este material curva o refracta la luz de diferentes colores en mayor o menor grado. Atwater afirma que el objetivo de su proyecto es hacer películas con un índice de refracción exactamente igual al del aire. Un material de este tipo no curvaría la luz en absoluto, sino que la transmitiría a la perfección, sin reflexión. Cuando la luz se mueve de un medio a otro, se dispersa – éste es el motivo por el que una pajita en un vaso de agua parece estar roto. Hay un desfase entre el índice de refracción del agua y el del aire. Una célula solar cubierta con un material cuyo índice de refracción fuera idéntico al del aire no reflejaría nada de luz.

Las películas que el grupo de Atwater está haciendo son conductores metálicos y también podrían servir como el electrodo superior de una célula solar. Atwater señala que mientras que algunos diseños de metamateriales han resultado complejos de fabricar e incluían una estructura de varias capas, estas películas de una sola capa se pueden hacer usando técnicas de litografía y grabado que son corrientes en la industria de fabricación de chips.

La capacidad del material para trabajar con ambas polarizaciones de la luz es interesante, afirma Nicholas Fang, profesor de ciencia e ingeniería de los materiales de la Universidad de Illinois en Urbana-Champaign. Sin embargo, señala éste, uno de los mayores desafíos por resolver en la ingeniería de metamateriales son las pérdidas. A medida que estas estructuras metálicas interactúan con la luz, pierden energía en forma de calor. Esta pérdida de calor es tan grande en los actuales materiales de Atwater que sólo el 40 por ciento de la luz incidente pasa a su través.

Con respecto a las aplicaciones solares, Atwater afirma que su objetivo es obtener una película de metamaterial que deje pasar el 90 por ciento de la luz. Con este fin, su grupo y otros en el mismo campo están desarrollando maneras de amplificar la luz al pasar a través de los metamateriales. Los amplificadores ópticos ya se utilizan en láseres y en las telecomunicaciones; incorporarlos junto a películas finas como la de Atwater permitirá a los metamateriales encontrar su camino hacia la aplicación práctica en dispositivos como las células solares.