Las células solares de silicio han demostrado ser una tecnología fotovoltaica superior, ya que utilizan materias primas abundantes en la tierra (es decir, Si) y funcionan con alta eficiencia. Sin embargo, se basan en obleas gruesas, rígidas y pesadas y, por lo tanto, solo se pueden instalar en un número limitado de lugares. Una de las formas de superar esta desventaja es usar membranas delgadas en su lugar. Esto reducirá la cantidad de Si en más del 99% (ahorrando drásticamente en materias primas) y también hará que las celdas sean flexibles y livianas. Como tales, estas celdas se pueden integrar fácilmente en edificios, arquitectura urbana e incluso en pequeños dispositivos cotidianos. El problema es que estas delgadas membranas de Si no pueden absorber la luz de manera tan eficiente. De hecho, solo se absorbe el 25% de la luz solar e incluso se puede ver a través de ellos.

Usando una nueva textura de nanoestructura diseñada racionalmente, los investigadores de AMOLF, la Universidad de Surrey y el Imperial College han encontrado una manera de hacer que las delgadas células fotovoltaicas sean opacas y así mejorar su eficiencia. En el laboratorio, descubrieron que estas membranas finas texturizadas absorben el 65 % de la luz solar, lo que está muy cerca del límite de absorción teórico final de ~70 %. Esta es la absorción de luz más alta jamás demostrada en una membrana de Si tan delgada y, por lo tanto, es probable que en un futuro cercano se desarrollen células fotovoltaicas de Si flexibles, livianas y eficientes.

¿Cómo funciona?

La nanoestructura modelada redirige juiciosamente la luz solar directa en una variedad de ángulos, atrapando así la luz dentro de la membrana de Si. Con la luz atrapada, tiene más posibilidades de ser absorbida y el grosor de la membrana aumenta efectivamente para la luz.

Al saber qué ángulos de luz atraparán los fotones dentro de la membrana de Si, los investigadores pueden diseñar su nanopatrón basándose en un estado de la materia que a menudo se encuentra en la naturaleza, desde el orden del universo hasta la distribución de los fotorreceptores en los ojos de las aves. . Si bien las distribuciones y los patrones hiperuniformes parecen completamente aleatorios, hay algo de orden. Como tal, los diseños hiperuniformes combinan lo mejor de ambos mundos:

• El orden permite guiar juiciosamente la luz hacia ángulos muy específicos que quedan atrapados en la membrana en función de la periodicidad del patrón.
• Disorder permite aumentar la amplitud de los ángulos que se pueden lograr con un solo patrón, lo que resulta en una mayor absorción.

Los investigadores han demostrado que no existe una solución única, sino una familia completa de diseños de patrones hiperuniformes que ofrecen una gran flexibilidad de diseño sin comprometer el rendimiento óptico. Esto es muy importante desde el punto de vista de la implementación, ya que no todos los diseños de nanopatrones se pueden fabricar fácilmente de manera escalable.

Desafíos

Dos desafíos clave para atrapar la luz solar en Si delgado son la amplia gama de colores en el espectro solar junto con las dimensiones limitadas de la membrana. Desde una perspectiva fotónica, optimizar el guiado de la luz y atrapar un solo color es relativamente simple y se puede hacer de manera eficiente utilizando estructuras periódicas. La luz del sol, sin embargo, tiene muchos colores, cada uno de los cuales experimenta un poder de absorción diferente en Si.

Las células solares de Si grueso han resuelto este problema al hacer rugosa la superficie con características piramidales de dimensiones similares a las de las longitudes de onda de la luz (es decir, hasta 1 µm para la luz roja, que es menos del 1% del espesor total de Si). Sin embargo, el mismo enfoque no funcionará en membranas delgadas con un grosor del orden de la longitud de onda de la luz. El equipo de investigación evitó esto capturando la amplia gama de colores, incluidos los rojos, modelando solo una fracción de la superficie de la célula. Tal patrón no solo es aplicable al Si delgado, como se demuestra aquí, sino también a cualquier otra película delgada absorbente de luz que necesite ayuda adicional para absorber la luz.

Solicitud

La líder del grupo AMOLF, Esther Alarcón Llado, dice que "basándonos en el fuerte rendimiento de captura de luz de nuestros patrones, estimamos que se podrían lograr eficiencias fotovoltaicas superiores al 20 % para una celda c-Si de 1 μm de espesor, lo que representaría un avance absoluto hacia la tecnología flexible". , ligero c-Si PV. Además, los absorbentes de Si más delgados son más tolerantes a los defectos electrónicos en comparación con sus contrapartes gruesas. Esto significa que las células delgadas de Si con alta eficiencia también podrían fabricarse a partir de silicio de grado inferior, lo que reduce las necesidades de energía para el silicio sin procesar. purificación y reduciendo su tiempo de recuperación de la energía".

"La fotovoltaica delgada con patrón hiperuniforme es una tecnología muy prometedora. Si bien todavía queda mucho trabajo por hacer para que estas células delgadas de alta eficiencia formen parte de nuestro entorno de vida, este trabajo nos hace muy optimistas de que esto sucederá pronto". + Explora más

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