Esta célula fotovoltaica se compone de 36 matrices individuales de nanocables de silicio con uniones p-n radiales. La dispersión del color demuestra la excelente periodicidad sobre todo el sustrato. (Foto de Peidong Yang)
(PhysOrg.com) - Los investigadores de Berkeley Lab han encontrado una mejor manera de atrapar la luz en las células fotovoltaicas mediante el uso de matrices verticales de nanocables de silicio. Esto podría reducir sustancialmente los costos de la energía eléctrica solar al reducir la cantidad y calidad de silicio necesario para paneles solares eficientes.
Se prevé que las células solares hechas de silicio sean un factor destacado en las futuras ecuaciones de energía verde renovable, pero hasta ahora la promesa ha superado con creces la realidad. Si bien ahora hay energía fotovoltaica de silicio que puede convertir la luz solar en electricidad con una impresionante eficiencia del 20 por ciento, el costo de esta energía solar es prohibitivo para el uso a gran escala. Investigadores del Laboratorio Nacional Lawrence Berkeley (Berkeley Lab), sin embargo, están desarrollando un nuevo enfoque que podría reducir sustancialmente estos costos. La clave de su éxito es una mejor forma de atrapar la luz solar.
“Mediante la fabricación de películas delgadas a partir de matrices ordenadas de nanocables de silicio verticales, hemos podido aumentar la captura de luz en nuestras células solares en un factor de 73, ”Dice el químico Peidong Yang, quien dirigió esta investigación. “Dado que la técnica de fabricación detrás de esta extraordinaria mejora de captura de luz es un proceso químico acuoso relativamente simple y escalable, Creemos que nuestro enfoque representa un camino económicamente viable hacia la alta eficiencia, células solares de película fina de bajo costo ".
Yang tiene nombramientos conjuntos con la División de Ciencias de Materiales de Berkeley Lab, y el Departamento de Química de la Universidad de California en Berkeley. Es una autoridad líder en nanocables semiconductores:tiras unidimensionales de materiales cuyo ancho mide solo una milésima parte del de un cabello humano, pero cuya longitud puede extenderse varias micras.
“Las células solares típicas están hechas de obleas de silicio monocristalino ultrapuro muy caras que requieren alrededor de 100 micrómetros de espesor para absorber la mayor parte de la luz solar, Considerando que nuestra geometría radial nos permite atrapar la luz de manera efectiva con matrices de nanocables fabricadas a partir de películas de silicio que tienen solo unos ocho micrómetros de espesor, " él dice. "Es más, En principio, nuestro enfoque debería permitirnos utilizar silicio de grado metalúrgico o "sucio" en lugar de los cristales de silicio ultrapuros que ahora se requieren. lo que debería reducir los costos aún más ".
Yang ha descrito esta investigación en un artículo publicado en la revista Nano letras , del que fue coautor con Erik Garnett, un químico que entonces era miembro del grupo de investigación de Yang. El artículo se titula "Atrapamiento de luz en células solares de nanocables de silicio".
Una unión radial p-n consiste en una capa de silicio de tipo n que forma una capa alrededor de un núcleo de nanocables de silicio de tipo p. Esta geometría convierte cada nanoalambre individual en una célula fotovoltaica.
Generando electricidad a partir de la luz solar
En el corazón de todas las células solares hay dos capas separadas de material, uno con abundancia de electrones que funciona como un polo negativo, y uno con abundancia de huecos de electrones (espacios de energía cargados positivamente) que funciona como un polo positivo. Cuando se absorben los fotones del sol, su energía se utiliza para crear pares de electrones y huecos, que luego se separan en la interfaz entre las dos capas y se recolectan como electricidad.
Debido a sus propiedades fotoelectrónicas superiores, El silicio sigue siendo el semiconductor fotovoltaico preferido, pero la creciente demanda ha inflado el precio de la materia prima. Es más, debido al alto nivel de purificación de cristales requerido, incluso la fabricación de la célula solar más simple basada en silicio es un complejo, proceso costoso y que consume mucha energía.
Yang y su grupo pueden reducir tanto la cantidad como los requisitos de calidad del silicio mediante el uso de matrices verticales de uniones p-n radiales nanoestructuradas en lugar de uniones p-n planas convencionales. En una unión radial p-n, una capa de silicio de tipo n forma una capa alrededor de un núcleo de nanoalambres de silicio de tipo p. Como resultado, Los electrones y huecos fotoexcitados viajan distancias mucho más cortas a los electrodos, eliminando un cuello de botella del portador de carga que a menudo surge en una celda solar de silicio típica. La matriz de geometría radial también, como revelaron las mediciones de fotocorriente y transmisión óptica de Yang y Garrett, mejora enormemente la captura de luz.
"Dado que cada nanocable individual de la matriz tiene una unión p-n, cada uno actúa como una célula solar individual, ”, Dice Yang. “Al ajustar la longitud de los nanocables en nuestras matrices, podemos aumentar la longitud de su trayectoria para atrapar la luz ".
Si bien la eficiencia de conversión de estos nanocables solares fue solo del cinco al seis por ciento, Yang dice que esta eficiencia se logró con poco esfuerzo en la pasivación de la superficie, antirreflejos y otras modificaciones que aumentan la eficiencia.
"Con más mejoras, lo más importante en la pasivación de la superficie, creemos que es posible llevar la eficiencia por encima del 10 por ciento, ”, Dice Yang.
Combinando una eficiencia de conversión del 10 por ciento o mejor con las cantidades muy reducidas de material de silicio inicial y la capacidad de usar silicio de grado metalúrgico, debería hacer del uso de nanocables de silicio un candidato atractivo para el desarrollo a gran escala.
Como dice Yang, un plus añadido, "Nuestra técnica se puede utilizar en los procesos de fabricación de paneles solares existentes".
