Las nanopartículas de precisión podrían permitir que las células fotovoltaicas aprovechen una parte mucho mayor del espectro de radiación del sol. Vea una versión más grande del espectro solar.
Cada hora, el sol inunda la Tierra con más energía de la que consume el mundo entero en un año. Sin embargo, la energía solar representa menos del 0,002 por ciento de toda la electricidad generada en los Estados Unidos, principalmente porque las células fotovoltaicas siguen siendo caras y relativamente ineficaces.
Pero es posible que la energía solar no sea una fuente de energía tan marginal por mucho tiempo. Los químicos del Laboratorio Nacional de Idaho y la Universidad Estatal de Idaho han inventado una forma de fabricar nanopartículas uniformes por encargo. La tecnología, Nanopartículas de precisión, tiene el potencial de mejorar enormemente la célula solar y estimular aún más la creciente revolución nanotecnológica.
Una fiebre del oro científica
Las nanopartículas son motas de materia decenas de miles de veces más pequeñas que el ancho de un cabello humano. Porque son tan pequeños un gran porcentaje de átomos de nanopartículas reside en sus superficies más que en su interior. Esto significa que las interacciones de la superficie dominan el comportamiento de las nanopartículas. Y, por esta razón, a menudo tienen características y propiedades diferentes a los trozos más grandes del mismo material.
Si bien los científicos recién han comenzado a explotar las nanopartículas, ya son muy prometedores en varios campos, desde la medicina hasta la fabricación y la energía. Por ejemplo, la incorporación de ciertos tipos de nanopartículas en materiales de construcción hace que las estructuras sean más fuertes y más resistentes a la corrosión. Y los transistores nano-diseñados son más pequeños, más rápido y más eficiente que los tradicionales.
"Las nanopartículas son la fiebre del oro científica de la próxima generación, "dice el químico de INL Bob Fox, que ayudó a desarrollar la tecnología Precision Nanoparticles. "Cambiarán nuestras vidas como lo han hecho las computadoras personales".
Debido a que las propiedades de las nanopartículas dependen tanto del tamaño, cualquier pequeño ajuste dimensional puede marcar una gran diferencia. Por lo tanto, una clave para aprovechar el potencial de las nanopartículas radica en la capacidad de producirlas en ciertos tamaños prescritos, con pequeños márgenes de error. Esta capacidad ha resultado esquiva, pero es justo lo que ofrece Precision Nanoparticles.
Los químicos han fabricado nanopartículas del semiconductor sulfuro de indio y cobre (identificado aquí como "puntos cuánticos"), un componente clave de las células solares avanzadas.
Una nueva forma de hacer nanopartículas
Hace unos pocos años, Los químicos de Fox y de ISU, Joshua Pak y Rene Rodríguez, comenzaron a buscar una mejor manera de fabricar componentes semiconductores para células solares. Específicamente, querían mejorar la forma en que las materias primas se transforman en nanopartículas semiconductoras. El método establecido de la industria para hacer esto es relativamente impreciso y consume mucha energía, requiriendo temperaturas alrededor de 300 grados centígrados.
El equipo tuvo la idea de utilizar dióxido de carbono "supercrítico" para agilizar la reacción. Los fluidos supercríticos son un poco como una mezcla entre un gas y un líquido. Pueden difundirse a través de sólidos, por ejemplo, pero también disuelve sustancias como lo hace un líquido. El dióxido de carbono supercrítico se ha utilizado durante años para descafeinar el café.
Pero cuando Fox, Pak y Rodríguez introdujeron dióxido de carbono supercrítico en su recipiente de reacción, el único resultado que se notó de inmediato fue una sustancia viscosa amarilla espesa.
"Pensamos que era un experimento fallido, "Dice Fox.
Pero cuando los químicos miraron más de cerca, descubrieron que la sustancia pegajosa estaba llena de pequeños nanopartículas semiconductoras increíblemente uniformes. La misma reacción, aproximadamente, que la industria utiliza para transformar las materias primas en nanopartículas semiconductoras, pero generó un mejor producto menos variable.
"No esperábamos que hacer esto nos diera tanta homogeneidad, “Eso fue realmente emocionante”, dice Fox. Y debido a que la nueva reacción podría producirse a una temperatura mucho más baja (65 grados Celsius en lugar de 300 grados Celsius), también prometió ahorrar una gran cantidad de dinero y energía.
Después de jugar con la reacción, Zorro, Pak y Rodríguez descubrieron cómo controlar el tamaño de las nanopartículas con una precisión sin precedentes. Ahora pueden producir partículas prescritas entre 1 y 100 nanómetros, dando en el blanco cada vez con gran precisión. En julio, La revista R&D reconoció la tecnología de vanguardia como una de sus 100 principales innovaciones de 2009, un prestigioso premio comúnmente conocido como un "Oscar de la invención". Y en septiembre el trabajo ganó el premio a la Innovación en Etapa Temprana del Año en los Premios a la Innovación Stoel Rives Idaho.
Zorro, Pak y Rodríguez han licenciado la tecnología a Precision Nanoparticles, Inc. La empresa relativamente nueva de Seattle está preparada para comenzar la producción de nanopartículas hechas a medida para la industria fotovoltaica.
El proceso de producción es respetuoso con el medio ambiente:genera pocos residuos y puede avanzar a un nivel relativamente bajo, temperaturas de ahorro de energía.
Una mejor celda solar
Los objetivos de los químicos de INL e ISU - y de Precision Nanoparticles, Inc. - son para hacer que las células solares sean más eficientes y, por último, energía solar más práctica.
En una celda solar los fotones chocan contra los átomos de un material semiconductor; históricamente, silicio:suelta algunos electrones. Estos electrones liberados luego fluyen en una sola dirección, generando electricidad de corriente continua. La cantidad de energía necesaria para soltar los electrones es específica de cada material y corresponde solo a una pequeña franja del espectro de radiación del sol. Este hecho explica por qué la eficiencia de la mayoría de las células actuales alcanza un máximo de alrededor del 20 por ciento.
Para eliminar un electrón de silicio, por ejemplo, un fotón entrante debe tener una energía de aproximadamente 1,3 electronvoltios. Esta energía se conoce como banda prohibida de silicio, y corresponde a una longitud de onda de fotones de aproximadamente 950 nanómetros. Los fotones con energías más bajas y, por lo tanto, longitudes de onda más largas, no funcionarán. Los fotones de longitud de onda más corta, pero su energía por encima de 1,3 electronvoltios se desperdicia, disipado como calor. Este es un gran problema, porque los fotones más abundantes de la luz solar ocurren entre 500 y 600 nanómetros (que nuestros ojos registran como verdes y amarillos), lo que significa que la mayoría de las fotocélulas actuales desperdician mucha energía.
Los ingenieros han estado trabajando duro para aprovechar más el espectro solar, para diseñar células que pongan en funcionamiento fotones de baja energía y utilicen fotones de alta energía de manera más eficiente. Una forma de hacer esto es construir celdas compuestas con capas de diferentes semiconductores. Golpeando una película de sulfuro de cobre e indio encima de una banda de silicio, decir, aumenta el poder de captura de fotones de una célula. Pero construir tales dispositivos es costoso y tecnológicamente complicado.
"Las diferentes capas no funcionan bien juntas, "Dice Fox.
Ahí es donde entra la tecnología Precision Nanoparticles. Una de las muchas propiedades que cambia con el tamaño de una nanopartícula es su banda prohibida. Debido a que Fox y su equipo aprendieron a controlar las dimensiones de las nanopartículas con tanta precisión, pronto será posible fabricar, a partir de un solo material, bloques de construcción de semiconductores sintonizados con longitudes de onda de luz específicas. Una celda fotovoltaica hecha de tales bloques de construcción podría capturar grandes franjas del espectro de energía solar. Y dado que las células contendrían un solo material semiconductor, serían mucho más baratos, más eficiente y más fácil de construir que los diseños multicapa actuales.
Nanopartículas semiconductoras de algunas células, Fox cree, incluso podría ajustarse para captar longitudes de onda infrarrojas:calor, que irradia de rocas, edificios carreteras y estacionamientos hasta altas horas de la noche.
"Por lo tanto, su panel solar podría estar funcionando mucho después de que se haya ido a la cama, " él dice.
Más allá de la energía solar
Si bien las aplicaciones más inmediatas de Precision Nanoparticles se encuentran en el campo de su nacimiento, fotovoltaica, los usos potenciales no se detienen ahí. Por ejemplo, la tecnología también podría hacer avanzar enormemente la investigación de ultracondensadores. Los ultracondensadores almacenan energía eléctrica de forma rápida y eficaz, y es posible que algún día sustituyan las baterías de los coches eléctricos y los híbridos enchufables. Al menos un material, nitruro de vanadio, tiene una ultracapacidad mucho mayor en forma nano, pero solo si las nanopartículas son de tamaño estrictamente uniforme, Dice Fox.
Para florecer completamente la revolución nanotecnológica requerirá el control necesario para producir tal uniformidad. Tecnologías como la desarrollada por Fox, Pak y Rodríguez pueden proporcionar este control, entregando partículas de tamaño predecible con propiedades predecibles. Como resultado, las nanopartículas podrían encontrar su camino en más diseños, y más productos.
"Lo único que nos limita en este momento es nuestra imaginación, "Dice Fox.
Proporcionado por el Laboratorio Nacional de Idaho, Esta historia destacada está disponible aquí. Fue escrito por Mike Wall.
