Los científicos de la Universidad de Stanford han creado los más delgados, absorbedor de luz visible más eficiente jamás registrado. La estructura nanométrica, miles de veces más fino que una hoja de papel normal, podría reducir el costo y mejorar la eficiencia de las células solares, según los científicos. Sus resultados se publican en la edición en línea actual de la revista. Nano letras .

"Lograr una absorción completa de la luz visible con una cantidad mínima de material es muy deseable para muchas aplicaciones, incluida la conversión de energía solar en combustible y electricidad, "dijo Stacey Bent, profesor de ingeniería química en Stanford y miembro del equipo de investigación. "Nuestros resultados muestran que es posible que una capa extremadamente delgada de material absorba casi el 100 por ciento de la luz incidente de una longitud de onda específica".

Las células solares más delgadas requieren menos material y, por lo tanto, cuestan menos. El desafío para los investigadores es reducir el grosor de la célula sin comprometer su capacidad para absorber y convertir la luz solar en energía limpia.

Para el estudio, el equipo de Stanford creó obleas delgadas salpicadas de billones de partículas redondas de oro. Cada nanodot de oro tenía unos 14 nanómetros de alto y 17 nanómetros de ancho.

Espectro visible

Una célula solar ideal podría absorber todo el espectro de luz visible, desde ondas de luz violeta de 400 nanómetros de largo hasta ondas rojas de 700 nanómetros de largo, así como luz ultravioleta e infrarroja invisible. En el experimento, El erudito postdoctoral Carl Hagglund y sus colegas pudieron sintonizar los nanodots de oro para absorber una luz de un punto en el espectro:ondas de luz rojizas-anaranjadas de unos 600 nanómetros de largo.

"Al igual que una cuerda de guitarra, que tiene una frecuencia de resonancia que cambia cuando lo sintonizas, las partículas metálicas tienen una frecuencia de resonancia que se puede ajustar para absorber una longitud de onda de luz particular, "dijo Hagglund, autor principal del estudio. "Ajustamos las propiedades ópticas de nuestro sistema para maximizar la absorción de luz".

Las obleas llenas de nanodot de oro se fabricaron en una instalación cercana de Hitachi utilizando una técnica llamada litografía de copolímero de bloques. Cada oblea contenía alrededor de 520 mil millones de nanodots por pulgada cuadrada. Bajo el microscopio la disposición hexagonal de partículas recordaba a un panal de abejas.

El equipo de Hagglund agregó una capa de película delgada encima de las obleas mediante un proceso llamado deposición de capa atómica. "Es una técnica muy atractiva, porque puede recubrir las partículas de manera uniforme y controlar el grosor de la película hasta el nivel atómico, ", dijo." Eso nos permitió ajustar el sistema simplemente cambiando el grosor del recubrimiento alrededor de los puntos. La gente ha construido matrices como esta, pero no los han ajustado a las condiciones óptimas para la absorción de la luz. Ese es un aspecto novedoso de nuestro trabajo ".

Registrar resultados

Los resultados fueron récord. "Las obleas recubiertas absorbieron el 99 por ciento de la luz naranja rojiza, ", Dijo Hagglund." También logramos una absorción del 93 por ciento en los propios nanodots de oro. El volumen de cada punto equivale a una capa de oro de solo 1,6 nanómetros de espesor, lo que lo convierte en el absorbente de luz visible más delgado registrado, aproximadamente 1, 000 veces más delgado que los absorbentes de células solares de película delgada disponibles comercialmente ".

El poseedor del récord anterior requería una capa absorbente tres veces más gruesa para alcanzar la absorción total de la luz, añadió. "Así que hemos superado sustancialmente los límites de lo que se puede lograr para la cosecha ligera optimizando estos productos ultrafinos, sistemas de nanoingeniería, "Dijo Hagglund.

El siguiente paso del equipo de Stanford es demostrar que la tecnología se puede utilizar en células solares reales.

"Ahora estamos buscando estructuras de construcción que utilicen materiales semiconductores ultrafinos que puedan absorber la luz solar, "dijo Bent, codirector del Centro Stanford de Nanoestructuración para la Conversión de Energía Eficiente (CNEEC). "Estos prototipos luego se probarán para ver qué tan eficientemente podemos lograr la conversión de energía solar".

En el experimento, los investigadores aplicaron tres tipos de recubrimientos:sulfuro de estaño, óxido de zinc y óxido de aluminio, en diferentes matrices de nanodot. "Ninguno de estos recubrimientos absorbe la luz, ", Dijo Hagglund." Pero teóricamente se ha demostrado que si se aplica un recubrimiento semiconductor, puede cambiar la absorción de las partículas metálicas a los materiales semiconductores. Eso crearía portadores de carga energética más duraderos que podrían canalizarse hacia algún proceso útil, como hacer una corriente eléctrica o sintetizar combustible ".

Meta final

La última meta, Bent agregado, consiste en desarrollar células solares mejoradas y dispositivos de combustible solar reduciendo la absorción de la luz solar a la menor cantidad de material posible. "Esto proporciona un beneficio al minimizar el material necesario para construir el dispositivo, por supuesto, ", dijo." Pero la expectativa es que también permitirá mayores eficiencias, porque por diseño, los portadores de carga se producirán muy cerca de donde se desean, es decir, cerca de donde serán recolectados para producir una corriente eléctrica o para impulsar una reacción química ".

Los científicos también están considerando arreglos de nanodot hechos de metales menos costosos. "Elegimos el oro porque era más estable químicamente para nuestro experimento, ", Dijo Hagglund." Aunque el costo del oro era prácticamente insignificante, la plata es más barata y mejor desde el punto de vista óptico si quieres hacer una buena célula solar. Nuestro dispositivo representa una reducción de grosor de órdenes de magnitud. Esto sugiere que eventualmente podemos reducir bastante el grosor de las células solares ".