Los investigadores de IEC Wayne Buchanan (izquierda) y Brian McCandless (derecha) se preparan para cargar el sistema de deposición de transporte de vapor para una película de telururo de cadmio dopado. Buchanan está levantando el cabezal de la fuente de la cámara principal y McCandless está examinando la deposición de película anterior (placa gris) y preparándose para colocar el sustrato de vidrio recubierto con película nanocristalina sobre el susceptor de grafito. Crédito:Universidad de Delaware
Deténgase por un momento e imagine un sistema de carreteras eficiente. No hay necesidad de competir por la posición, sin punto de estrangulamiento que se fusiona de tres carriles en uno, sin largos ociosos en semáforos inoportunos, no hay obstáculos en el camino mientras el automovilista delante de usted se prepara para un giro que aún está a cinco millas de distancia. Independientemente del número de coches, sabría cómo se ve y se siente navegar sin problemas.
Esa es la vida que los investigadores de estado sólido quieren para los electrones mientras trabajan para capturar la extraordinaria energía del sol y convertirla en electricidad.
Si fuera una solución fácil, toda esa captura y conversión, el científico Brian McCandless podría estar pasando más tiempo con su gaita.
Pero él y muchos otros investigadores han estado resolviendo el desafío de mejorar el tráfico de electrones en las células solares durante décadas. McCandless, del Instituto de Conversión de Energía de la Universidad de Delaware, se ha centrado especialmente en la eficiencia de conversión y el coste de la energía fotovoltaica de capa fina, que ofrecen precios competitivos para la generación de energía solar.
Ahora, McCandless y sus colaboradores en el Laboratorio Nacional de Energía Renovable en Golden, Colorado, han hecho avances significativos, con la invención patentada por UD de McCandless que tiene un nombre similar a Star Trek, un sistema de deposición por transporte de vapor, y la verificación a gran escala de NREL de sus capacidades.
Con eso, han demostrado una nueva forma de ajustar las propiedades de las películas delgadas que ofrece una mayor eficiencia y un costo reducido, lo que abre la puerta a avances aún mayores.
Este es el sistema de deposición de transporte de vapor diseñado y construido en el Instituto de Conversión de Energía de la UD para mejorar la eficiencia y reducir los costos de la energía fotovoltaica de película delgada. Crédito:Universidad de Delaware
Sus hallazgos, hecho con el apoyo del Departamento de Energía de EE. UU., fueron publicados en Nature's Informes científicos .
La tecnología de película delgada representa una pequeña pero creciente participación del mercado solar en comparación con las obleas de silicio mucho más comunes. pero las películas delgadas tienen muchas ventajas sobre esas obleas. Las películas delgadas permiten una producción rápida de paneles solares ligeros, ampliando las opciones de diseño y aplicación.
La marca de agua alta para la eficiencia de película delgada se estableció en 2016 en 22.1 por ciento, lo que significa que gran parte de la luz solar capturada se convierte directamente en electricidad.
Ahora, McCandless dijo que está reflexionando sobre palabras que no usa a la ligera:un "avance tecnológico" largamente esperado.
Pero primero, un breve repaso sobre cómo capturamos y procesamos la energía del sol, que entrega suficiente materia prima en una hora para alimentar nuestro planeta durante un año completo.
Los investigadores de IEC Wayne Buchanan (izquierda) y Brian McCandless (derecha) bajando el cabezal de la fuente de vapor al sistema de deposición de transporte de vapor. Crédito:Universidad de Delaware
El método más común para captar el sol son los paneles solares que ve en los tejados residenciales o en ángulo hacia el cielo en otros entornos. Células especialmente diseñadas en esos paneles, hechas típicamente de silicio, capturan los fotones llenos de energía que se derraman profusamente sobre nosotros en cada flujo de luz solar. En un día soleado, hay alrededor de 1, 000 vatios de luz solar que llegan a cada metro cuadrado de la superficie de la Tierra.
Cuando estos fotones solares chocan contra materiales fotovoltaicos, se convierten en electrones y huecos. Cuando se dirige de la manera correcta dentro del material, pueden producir voltaje eléctrico y un flujo de electricidad, resultando en poder.
Los materiales de película delgada están compuestos por millones de cristales por pulgada cuadrada, capas sobre materiales fundamentales llamados sustratos que utilizan tanto calor como presión y "crecen" - o acumulan - en pilas de dispositivos llamadas "células solares". El truco consiste en ajustar la propiedad de cada grano cristalino a medida que se produce este crecimiento.
La nueva herramienta patentada de McCandless, el sistema de deposición por transporte de vapor, se utiliza para realizar esos ajustes finos durante el crecimiento de la película, incorporando pequeñas cantidades de elementos adicionales en los cristales de la película delgada a temperaturas que permiten el control de las propiedades de manera que mejoran el rendimiento de la célula solar.
Cuando los átomos incorporados están activos, producen lo que se conoce como "dopaje, "lo que aumenta la conductividad y aumenta el voltaje que puede producir la célula. Combinado con otros procesos después del crecimiento, Se acelera el flujo eficiente de electrones al electrodo, de la misma manera que podría mejorar el flujo del tráfico en la carretera abriendo un nuevo carril o agregando nuevos puntos de acceso. Encontrar la combinación correcta de dopaje y esos otros procesos, una que no cree otros problemas ni afecte la resistencia de esos electrones, es fundamental.
Fotografía cenital del susceptor de grafito (arriba), un sustrato de vidrio recubierto con película nanocristalina (amarillo) y una pila completa con la película de telururo de cadmio dopada (gris). Crédito:Universidad de Delaware
La investigación de McCandless utilizó uno de los materiales de película delgada más prominentes, telururo de cadmio (CdTe), y probó tres escenarios y tratamientos de dopaje, usando antimonio (Sb), arsénico (As) y fósforo (P). Cada uno condujo a conjuntos de propiedades únicos y todos dieron como resultado niveles de dopaje significativamente más altos, con arsénico y antimonio produciendo los más altos.
"El telururo de cadmio realmente absorbe la luz solar, Realmente bien, "Dijo McCandless." Muchas propiedades lo hacen grandioso. Pero solo obteníamos unos 0,8 voltios de cualquier celda. Con sus propiedades de alta absorción y banda prohibida óptima, deberíamos poder generar 1,1 voltios ".
Existen limitaciones termodinámicas al cultivar estas películas, pero ese problema se abordó en el nuevo proceso, también.
"Si toma una red de telururo de cadmio, saca uno de los telurios y mete uno de estos elementos, ahora le falta un electrón, ", Dijo McCandless." Debido a la termodinámica, no quiere quedarse en esa condición. Pero si congela la celosía haciéndola crecer lo suficientemente rápido y enfriándola lo suficientemente rápido, obtienes ese electrón extra que falta, el agujero que buscamos, y tienes una conductividad más alta ".
Se ha mejorado el sistema de carreteras del electrón, en otras palabras.
El investigador de IEC Wayne Buchanan carga el sistema de deposición de transporte de vapor con un sustrato de vidrio recubierto de película nanocristalina en preparación para el crecimiento de una película de telururo de cadmio dopado. Crédito:Universidad de Delaware
Hasta ahora, El alto nivel de dopaje de las películas delgadas de telururo de cadmio había eludido a los científicos e ingenieros. Ahora son posibles voltajes superiores a 1 voltio y eficiencias del 25 por ciento. La siguiente parte del rompecabezas es aumentar el flujo de electrones adaptando otros procesos.
"Demostramos que podemos hacer el dopaje de forma controlable, ", dijo." Ahora queremos disminuir la cantidad incorporada necesaria utilizando menos de estos elementos y aún así obtener el mismo beneficio ".
McCandless e IEC han resuelto la química y NREL ha resuelto cómo integrar las películas en una celda solar completa con mayor rendimiento.
"Ellos validaron las mediciones que hicimos en películas y replicaron la técnica en su laboratorio, " él dijo.
La herramienta única, el sistema de deposición por transporte de vapor, se desarrolló con la ayuda de Wayne Buchanan de IEC, Campos de Shannon, Greg Hanket, Erten Eser y Bob Birkmire.
La hendidura de salida y el ensamblaje del calentador del cabezal de fuente diseñado y fabricado por IEC que se usa para entregar vapor de telururo de cadmio dopado al sustrato. Crédito:Universidad de Delaware
El aumento de la eficiencia y el voltaje tendrá maravillosos efectos en cascada, incluida una menor dependencia de los combustibles fósiles y un mayor acceso a la energía renovable.
"Muestra a los expertos en la técnica que hay un camino a seguir para el voltaje, "Dijo McCandless.
