Un avance reciente de los investigadores de la Universidad Estatal de Arizona en el desarrollo de nanocables podría conducir a células fotovoltaicas más eficientes para generar energía a partir de la luz solar. ya mejores diodos emisores de luz (LED) que podrían reemplazar las bombillas incandescentes de menor eficiencia energética.
Los ingenieros eléctricos Cun-Zheng Ning y Alian Pan están trabajando para mejorar los materiales de nanocables semiconductores de aleación cuaternaria.
Los nanocables tienen decenas de nanómetros de diámetro y decenas de micrones de longitud. Las aleaciones cuaternarias están hechas de semiconductores con cuatro elementos, a menudo fabricado aleando dos o más semiconductores compuestos.
Los semiconductores son la base material de tecnologías como las células solares, LEDs de alta eficiencia para iluminación, y para detectores visibles e infrarrojos.
Uno de los parámetros más críticos de los semiconductores que determina la viabilidad de estas tecnologías es la banda prohibida. La banda prohibida de un semiconductor determina, por ejemplo, si una determinada longitud de onda de la luz solar es absorbida o no modificada por el semiconductor de una célula solar.
Band gap también determina qué color de luz emite un LED. Para hacer que las células solares sean más eficientes, es necesario aumentar el rango de intervalos de banda.
Idealmente, la mayor eficiencia de la célula solar se logra al tener una amplia gama de intervalos de banda que coinciden con todo el espectro solar, explica Ning, profesor de la Facultad de Electricidad, Ingeniería Informática y Energética, una parte de las Escuelas de Ingeniería Ira A. Fulton de ASU.
En aplicaciones de iluminación LED, él dice, más espacios de banda disponibles significa que se pueden emitir más colores, proporcionando más flexibilidad en la ingeniería del color o la reproducción cromática de la luz.
Por ejemplo, diferentes proporciones de rojo, los colores verde y azul se mezclarían con diferentes colores blancos. Una mayor flexibilidad permitiría ajustar el color blanco para adaptarse a diversas situaciones, o preferencias individuales.
Similar, Ning dice:la detección de diferentes colores requiere semiconductores de diferentes intervalos de banda. Cuantos más huecos de banda estén disponibles, cuanta más información se pueda adquirir sobre un objeto a detectar. Por lo tanto, todas estas aplicaciones de iluminación se pueden mejorar al tener semiconductores con una amplia gama de espacios de banda.
Los investigadores dicen que el obstáculo es que todos los semiconductores artificiales o naturales tienen solo una brecha de banda específica.
Una forma estándar de ampliar la gama de espacios de banda es alear dos o más semiconductores. Al ajustar la proporción relativa de dos semiconductores en una aleación, es posible desarrollar nuevos espacios de banda entre los de los dos semiconductores.
Pero lograr esto requiere una condición llamada coincidencia constante de celosía, que requiere espacios interatómicos similares entre dos semiconductores para crecer juntos.
"Es por eso que no podemos cultivar aleaciones de composiciones arbitrarias para lograr intervalos de banda arbitrarios, "Ning" dice. "Esta falta de espacios de banda disponibles es una de las razones por las que la eficiencia actual de las células solares es baja, y por qué no tenemos colores de iluminación LED que se puedan ajustar para diversas situaciones ".
En intentos recientes de hacer crecer nanocables semiconductores con brechas de banda "casi" arbitrarias, el equipo de investigación dirigido por Ning y Pan, un profesor asistente de investigación, han utilizado un nuevo enfoque para producir una gama extremadamente amplia de espacios de banda.
Alearon dos semiconductores, sulfuro de zinc (ZnS) y seleniuro de cadmio (CdSe) para producir la aleación semiconductora cuaternaria ZnCdSSe, que produjo composiciones de elementos que varían continuamente en un solo sustrato (un material sobre el que se forma o fabrica un circuito).
Ning dice que esta es la primera vez que se produce un semiconductor cuaternario en forma de nanoalambre o nanopartícula.
Al controlar la variación espacial de varios elementos y la temperatura de un sustrato (llamado método de gradiente dual), el equipo produjo emisiones de luz que oscilaron entre 350 y 720 nanómetros en un solo sustrato de solo unos pocos centímetros de tamaño.
El color que se extiende por el sustrato se puede controlar en gran medida, y Ning dice que cree que este método de doble gradiente se puede aplicar de manera más general para producir otros semiconductores de aleación o ampliar el rango de banda prohibida de estas aleaciones.
Explorar el uso de materiales de aleación cuaternaria para hacer que las células fotovoltaicas sean más eficientes, su equipo ha desarrollado un diseño multicelular lateral combinado con un concentrador dispersivo.
El concepto de concentración dispersiva, o concentración espectral dividida, se ha explorado durante décadas. Pero la aplicación típica usa una celda solar separada para cada banda de longitud de onda.
Con los nuevos materiales, Ning espera construir una supercélula lateral monolítica que contenga múltiples subcélulas en paralelo, cada uno optimizado para una banda de longitud de onda determinada. Las múltiples subcélulas pueden absorber todo el espectro solar. Dichas células solares podrán lograr una eficiencia extremadamente alta con un bajo costo de fabricación. El equipo está trabajando tanto en el diseño como en la fabricación de estas células solares.
Similar, Los nuevos nanocables de aleación cuaternaria con gran envergadura de onda pueden explorarse para aplicaciones de luz de ingeniería de colores.
Los investigadores han demostrado que el control del color mediante el control de la composición de la aleación se puede extender a dos dimensiones espaciales, un paso más hacia el diseño en color para la generación de luz blanca directa o para pantallas en color.
