Este diagrama esquemático de una célula solar orgánica de película delgada muestra la capa superior, un estampado, capa de dispersión rugosa, en verde. La capa de película delgada orgánica, mostrado en rojo, es donde queda atrapada la luz y se genera la corriente eléctrica. La película está intercalada entre dos capas que ayudan a mantener la luz contenida dentro de la película delgada.
(PhysOrg.com) - Las células solares ultradelgadas pueden absorber la luz solar de manera más eficiente que las más gruesas, las celdas de silicio más caras de fabricar que se utilizan en la actualidad, porque la luz se comporta de manera diferente a escalas alrededor de un nanómetro, dicen los ingenieros de Stanford. Calculan que configurando correctamente los espesores de varias capas delgadas de películas, una película delgada de polímero orgánico podría absorber hasta 10 veces más energía de la luz solar de lo que se creía posible.
En el suave blanco, mundo de sala limpia adaptado a conejitos de obleas de silicio y células solares, resulta que un poco de aspereza puede hacer mucho, tal vez hasta hacer de la energía solar una fuente de energía asequible, dicen los ingenieros de Stanford.
Su investigación muestra que la luz que rebota dentro de la película de polímero de una célula solar se comporta de manera diferente cuando la película es ultradelgada. Una película que es nanoescala-delgada y ha sido maltratada un poco puede absorber más de 10 veces la energía predicha por la teoría convencional.
La clave para superar el límite teórico radica en mantener la luz solar en el agarre de la célula solar el tiempo suficiente para exprimir la máxima cantidad de energía. utilizando una técnica llamada "captura de luz". Es lo mismo que si estuvieras usando hámsters corriendo sobre ruedas pequeñas para generar tu electricidad; querrás que cada hámster recorra tantas millas como sea posible antes de saltar y huir.
"Cuanto más tiempo esté un fotón de luz en la célula solar, mayor probabilidad de que el fotón sea absorbido, "dijo Shanhui Fan, profesor asociado de ingeniería eléctrica. La eficiencia con la que un material determinado absorbe la luz solar es de vital importancia para determinar la eficiencia general de la conversión de energía solar. Fan es autor principal de un artículo que describe el trabajo publicado en línea esta semana por procedimientos de la Academia Nacional de Ciencias .
La captura de luz se ha utilizado durante varias décadas con las células solares de silicio y se hace raspando la superficie del silicio para hacer que la luz entrante rebote dentro de la célula durante un tiempo después de que penetre. en lugar de reflejarse hacia afuera como lo hace en un espejo. Pero a lo largo de los años no importa cuánto manipularon los investigadores con la técnica, no pudieron aumentar la eficiencia de las típicas células de silicio de "macroescala" más allá de una cierta cantidad.
Finalmente, los científicos se dieron cuenta de que existía un límite físico relacionado con la velocidad a la que viaja la luz dentro de un material dado.
Pero la luz tiene una naturaleza dual, a veces comportándose como una partícula sólida (un fotón) y otras como una onda de energía, y Fan y el investigador postdoctoral Zongfu Yu decidieron explorar si el límite convencional de la captura de luz se cumplía en un entorno a nanoescala. Yu es el autor principal del artículo de PNAS.
"Todos solíamos pensar que la luz iba en línea recta, "Fan dijo". Por ejemplo, un rayo de luz golpea un espejo, rebota y ves otro rayo de luz. Esa es la forma típica en que pensamos sobre la luz en el mundo macroscópico.
"Pero si bajas a las nanoescalas que nos interesan, cientos de millonésimas de milímetro en escala, resulta que la característica de la onda se vuelve realmente importante ".
La luz visible tiene longitudes de onda de entre 400 y 700 nanómetros (mil millonésimas de metro), pero incluso a esa pequeña escala, Fan dijo:muchas de las estructuras que Yu analizó tenían un límite teórico comparable al límite convencional probado por experimento.
"Una de las sorpresas de este trabajo fue descubrir cuán robusto es el límite convencional, "Dijo Fan.
Fue solo cuando Yu comenzó a investigar el comportamiento de la luz dentro de un material de escala de sublongitud de onda profunda, sustancialmente más pequeña que la longitud de onda de la luz, que se hizo evidente para él que la luz podría estar confinada durante más tiempo. aumentar la absorción de energía más allá del límite convencional en la macroescala.
"La cantidad de beneficio del confinamiento a nanoescala que hemos mostrado aquí es realmente sorprendente, ", dijo Yu." Superar el límite convencional abre una nueva puerta para diseñar células solares de alta eficiencia ".
Yu determinó mediante simulaciones numéricas que la estructura más eficaz para aprovechar los beneficios del confinamiento a nanoescala era una combinación de varios tipos diferentes de capas alrededor de una película delgada orgánica.
Colocó la película orgánica delgada entre dos capas de material, llamadas capas de "revestimiento", que actuaban como capas de confinamiento una vez que la luz pasaba a través de la superior hacia la película delgada. Encima de la capa de revestimiento superior, colocó una capa de superficie rugosa estampada diseñada para enviar la luz entrante en diferentes direcciones a medida que entraba en la película delgada.
Variando los parámetros de las diferentes capas, pudo lograr un aumento de 12 veces en la absorción de luz dentro de la película delgada, en comparación con el límite de macroescala.
Las células solares a nanoescala ofrecen ahorros en costos de materiales, ya que las películas delgadas de polímero orgánico y otros materiales utilizados son menos costosos que el silicio y, siendo nanoescala, las cantidades requeridas para las celdas son mucho menores.
Los materiales orgánicos también tienen la ventaja de ser fabricados en reacciones químicas en solución, en lugar de necesitar procesamiento a alta temperatura o al vacío, como se requiere para la fabricación de silicio.
"La mayor parte de la investigación en estos días se centra en diferentes tipos de materiales para las células solares, Fan dijo. “Donde esto tendrá un mayor impacto es en algunas de las tecnologías emergentes; por ejemplo, en células orgánicas ".
"Si lo haces bien, hay un enorme potencial asociado con él, "Dijo Fan.
Aaswath Raman, un estudiante de posgrado en física aplicada, también trabajó en la investigación y es coautor del artículo.
