(PhysOrg.com) - Los investigadores de Cornell han desarrollado un nuevo método para crear una película delgada de monocristal con patrón de material semiconductor que podría conducir a células y baterías fotovoltaicas más eficientes.

El "santo grial" para tales aplicaciones ha sido crear sobre una base de silicio, o sustrato, una película con una estructura tridimensional a nanoescala, con la red cristalina de la película alineada en la misma dirección (epitaxialmente) que en el sustrato. Hacerlo es la culminación de años de investigación de Uli Wiesner, profesor de ciencia e ingeniería de materiales, en el uso de la química de polímeros para crear estructuras de autoensamblaje a nanoescala.

Él y sus colegas informan del avance en la edición del 8 de octubre de la revista Science. Usaron el nuevo método para crear una película con una textura en relieve, formada por pilares diminutos de unos pocos nanómetros de diámetro. "La capacidad de crear una nanoestructura monocristalina es muy prometedora, ", Dijo Wiesner." Combinamos eso con la capacidad de los materiales poliméricos orgánicos para autoensamblarse a nanoescala en varias estructuras que se pueden moldear en el material cristalino ".

El grupo de investigación de Wiesner utilizó anteriormente técnicas de autoensamblaje para crear células solares Gräetzel, que utilizan un tinte orgánico intercalado entre dos conductores. La disposición de los conductores en un patrón 3D complejo crea más área de superficie para recolectar la luz y permite un transporte de carga más eficiente. Dijo Wiesner.

El rendimiento mejora más cuando los materiales conductores son monocristales, Dijo Wiesner. La mayoría de las técnicas para crear tales películas producen material policristalino (una colección de "granos" o pequeños cristales agrupados al azar) y los límites de los granos retardan el movimiento de las cargas eléctricas. él explicó.

El método de Wiesner utiliza copolímeros de bloque para crear plantillas porosas en las que un nuevo material puede fluir y cristalizar. Un polímero consta de moléculas orgánicas que se unen en largas cadenas para formar un sólido. Un copolímero de bloque se fabrica uniendo dos moléculas diferentes en sus extremos. Cuando encadenan y se mezclan con óxidos metálicos, uno forma un patrón a nanoescala de formas geométricas repetidas, mientras que el otro llena el espacio intermedio. La quema del polímero deja una nanoestructura de óxido metálico porosa que puede actuar como plantilla.

El equipo de Wiesner creó una plantilla con poros hexagonales sobre un sustrato de monocristal de silicio y depositó películas de silicio amorfo o siliciuro de níquel sobre él. En colaboración con Mike Thompson, profesor asociado de ciencia e ingeniería de materiales, luego calentaron la superficie de silicio con pulsos de láser muy cortos (nanosegundos). Esto derrite la capa recién depositada y las primeras micras (millonésimas de metro) del sustrato de silicio. Después de solo unas pocas decenas de nanosegundos, el silicio fundido se recristaliza con el sustrato de silicio monocristalino que actúa como un cristal semilla para desencadenar la cristalización en el material depositado sobre él. haciendo que ese cristal se alinee epitaxialmente con la semilla.

La plantilla se disuelve, dejando una serie de pilares hexagonales de unos 30 nm de ancho. El equipo ha realizado películas nanoestructuradas porosas de hasta 100 nm de espesor con otras formas complejas. En trabajos anteriores, Wiesner creó celosías de cilindros, aviones esferas y "giroscopios" complejos variando la composición de los copolímeros.

Pueden depositarse otros materiales, dijeron los investigadores. El objetivo aquí ellos dijeron, fue demostrar la formación de película con el mismo material que el sustrato (oficialmente conocido como homoepitaxia) y con un material diferente (heteroepitaxia).

En otro experimento de prueba de concepto, los investigadores demostraron que la película delgada estructurada se podía arreglar en patrones de escala micrométrica, como sea necesario en el diseño de un circuito electrónico, colocando una máscara sobre la superficie antes de aplicar el calentamiento por láser.

"Básicamente hemos llegado al santo grial, ", Dijo Wiesner." No es solo un monocristal nanoestructurado, pero tiene una relación epitaxial con el sustrato. No hay mejor control ".