Una posible revolución solar está en marcha
Detectan un excitón híbrido que une materiales orgánicos e inorgánicos y transfiere energía a gran velocidad, con aplicaciones prometedoras en energía solar.
Fuente: ChatGPT
Eugenio M. Fernández Aguilar
Físico, escritor y divulgador científico
muyinteresante.okdiario.com/20.12.2025
Pocos dispositivos están tan presentes en nuestras vidas como los que dependen de la energía solar: desde calculadoras y relojes hasta techos enteros cubiertos de paneles fotovoltaicos. Sin embargo, aún hay un largo camino por recorrer para que estas tecnologías sean verdaderamente eficientes, rápidas y económicas. Hoy, un hallazgo publicado en Nature Physics apunta a una pieza clave que podría acelerar ese futuro: los excitones híbridos.
Investigadores de las universidades de Göttingen, Marburg, Berlín y Graz han observado por primera vez un tipo de partícula cuántica que combina las propiedades de dos materiales radicalmente distintos: los semiconductores orgánicos y los semiconductores bidimensionales. Esta mezcla da lugar a excitones con una capacidad inusual para transferir energía con extrema rapidez. Según los autores, el descubrimiento permite entender mejor los procesos de transferencia energética en nanoestructuras y allana el camino hacia nuevas generaciones de celdas solares más eficientes.
¿Qué es un excitón y por qué importa?
Para entender este avance, conviene detenerse un momento en el concepto de excitón. En palabras simples, un excitón es una pareja formada por un electrón y el "agujero" que deja atrás al moverse por un material tras absorber luz. Ambos están unidos por fuerzas eléctricas y forman una entidad cuántica. Es una partícula que transporta energía sin llevar carga, algo fundamental en dispositivos como celdas solares y pantallas LED.
Existen distintos tipos de excitones. En materiales orgánicos, suelen estar confinados en un punto muy pequeño: son los excitones tipo Frenkel, inmóviles y altamente localizados. En cambio, los materiales inorgánicos como los dicalcogenuros de metales de transición (TMDs), en especial cuando están en forma de capas de un solo átomo, generan excitones tipo Wannier, mucho más dispersos y móviles. Hasta ahora, la interacción entre estos dos mundos era limitada. Pero este nuevo estudio revela que, en ciertas condiciones, puede emerger una forma intermedia: el excitón híbrido.
Estructura de capas y niveles de energía del sistema WSe₂/PTCDA. Fuente: Nature PhysicsLa interfaz que lo cambia todo
Los autores del estudio construyeron una estructura compuesta por una monocapa de diseleniuro de tungsteno (WSe₂)y una monocapa del semiconductor orgánico PTCDA. Estas dos capas, una inorgánica y otra orgánica, no se mezclan químicamente, pero se colocan una encima de la otra formando una heteroestructura bidimensional.
Lo que hace único este sistema es que en la interfaz entre ambas capas se forma un excitón con una naturaleza híbrida: tiene componentes tanto del tipo Frenkel como del tipo Wannier. Según los autores, esta nueva partícula muestra una función de onda que es una superposición coherente de contribuciones intracapa e intercapa. Así lo explican literalmente en el paper: “la función de onda del excitón híbrido es una superposición coherente de contribuciones intralámina (HOMO → LUMO) e interlámina (VBM → LUMO)” .
Este excitón híbrido, al unir las propiedades de dos tipos distintos de materiales, puede transferir energía de forma más eficiente que cualquiera de los componentes por separado. La clave está en su doble carácter: puede moverse con libertad como los excitones inorgánicos, pero también interactuar con gran intensidad con la luz, como los orgánicos.
Firmas espectrales del excitón híbrido en distintos momentos y energías, detectadas mediante fotoemisión resuelta en momento. Fuente: Nature PhysicsVer el proceso en acción (y en tiempo real)
Para observar este fenómeno, el equipo empleó una técnica de vanguardia: microscopía de momento ultrarrápida, capaz de visualizar cómo se comportan los electrones con una resolución temporal del orden de los femtosegundos(una milésima de una billonésima de segundo). Gracias a esta técnica, pudieron hacer una especie de “película” de cómo se forma el excitón híbrido.
La observación fue clara: tras la excitación con luz, se detectaron firmas características que correspondían a electrones localizados en las órbitas del material orgánico, y huecos distribuidos tanto en el material orgánico como en el inorgánico. Esta dualidad confirmó la naturaleza híbrida de la partícula. En palabras del artículo, “la estructura WSe₂/PTCDA alberga un excitón híbrido cuya función de onda se extiende a través de la interfaz TMD/OSC” .
Además, la eficiencia de este proceso es notable: la transferencia de energía se produce en menos de 150 femtosegundos, y la vida media del excitón híbrido es del orden de los 1,8 picosegundos, lo que permite su aprovechamiento antes de que se disipe. Todo ello sin necesidad de una transferencia directa de carga, sino mediante una interacción de tipo Förster, basada en el acoplamiento de dipolos eléctricos, es decir, sin necesidad de que los electrones “salten” físicamente de una capa a otra.
Un nuevo paradigma para la energía solar
El potencial de este descubrimiento va más allá de la física fundamental. Las celdas solares actuales presentan ciertas limitaciones de eficiencia, en gran parte porque no pueden aprovechar toda la energía que reciben antes de que se pierda en forma de calor. La posibilidad de canalizar esa energía mediante excitones híbridos, de forma ultrarrápida y eficiente, podría aumentar significativamente la conversión de luz en electricidad.
Además, estos excitones permiten controlar de manera más precisa el recorrido de la energía dentro del dispositivo. Esto no solo sirve para mejorar paneles solares, sino también para desarrollar sensores más sensibles, pantallas más brillantes o incluso componentes para futuros ordenadores cuánticos.
Una ventaja clave es que, a diferencia de muchos avances tecnológicos que requieren materiales raros o condiciones extremas, los componentes usados en este experimento ya son conocidos, accesibles y compatibles con las tecnologías actuales. Esto acelera las posibilidades de transferencia desde el laboratorio a la industria.
Una muestra del poder de la física cuántica en acción
Este descubrimiento no solo abre puertas tecnológicas: también es una demostración de cómo la física cuántica sigue ofreciendo sorpresas, incluso un siglo después de su nacimiento. Como destacan los autores: “nuestros resultados permiten comprender mejor y aprovechar de forma eficiente los procesos fundamentales de transferencia de energía y carga en nanoestructuras semiconductoras” .
En lugar de quedarse en lo abstracto, la física cuántica aplicada permite manipular procesos fundamentales de la materia para construir tecnologías más sostenibles, rápidas y eficaces. Lo que ocurre entre capas de apenas unos átomos de grosor puede marcar la diferencia entre un panel solar eficiente y uno que desperdicia gran parte de la energía del sol.
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Referencias
Bennecke, W., Gonzalez Oliva, I., Bange, J. P., Werner, P., Schmitt, D., et al. Hybrid Frenkel–Wannier excitons facilitate ultrafast energy transfer at a 2D–organic interface. Nature Physics. 29 de octubre de 2025. https://doi.org/10.1038/s41567-025-03075-5.
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