A la izquierda, un esquema de una matriz de nanopilares de germanio incrustada en una membrana de lámina de alúmina; a la derecha hay imágenes SEM en sección transversal de una membrana de alúmina en blanco con poros de doble diámetro; el recuadro muestra nanopilares de germanio después del crecimiento. (Imágenes cortesía de Ali Javey)
La luz del sol representa lo más limpio, la más verde y con mucho la más abundante de todas las fuentes de energía, y, sin embargo, su potencial sigue siendo lamentablemente infrautilizado. Los altos costos han sido un factor de disuasión importante para las aplicaciones a gran escala de las células solares basadas en silicio. Los nanopilares, matrices a nanoescala densamente empaquetadas de semiconductores ópticamente activos, han mostrado potencial para proporcionar una próxima generación de células solares relativamente baratas y escalables. pero se han visto obstaculizados por problemas de eficiencia. La historia de los nanopilares, sin embargo, ha dado un nuevo giro y el futuro de estos materiales ahora parece más brillante que nunca.
“Al ajustar la forma y la geometría de matrices de nanopilares altamente ordenadas de germanio o sulfuro de cadmio, hemos podido mejorar drásticamente las propiedades de absorción óptica de nuestros nanopilares, "Dice Ali Javey, químico que tiene nombramientos conjuntos con el Laboratorio Nacional Lawrence Berkeley (Berkeley Lab) y la Universidad de California (UC) en Berkeley.
Javey, un científico de la facultad de la División de Ciencias de los Materiales de Berkeley Lab y un profesor de ingeniería eléctrica e informática de la UC Berkeley, ha estado a la vanguardia de la investigación de nanopilares. Él y su grupo fueron los primeros en demostrar una técnica mediante la cual los nanopilares de sulfuro de cadmio se pueden producir en masa en módulos flexibles a gran escala. En este último trabajo, Pudieron producir nanopilares que absorben la luz tan bien o incluso mejor que las células solares comerciales de película delgada, utilizando mucho menos material semiconductor y sin la necesidad de un revestimiento antirreflectante.
“Para mejorar la eficiencia de absorción óptica de banda ancha de nuestros nanopilares, utilizamos una estructura novedosa de doble diámetro que presenta una punta de diámetro pequeño (60 nanómetros) con reflectancia mínima para permitir la entrada de más luz, y una base de gran diámetro (130 nanómetros) para una absorción máxima que permita convertir más luz en electricidad, ”Dice Javey. "Esta estructura de doble diámetro absorbió el 99 por ciento de la luz visible incidente, en comparación con el 85 por ciento de absorción de nuestros primeros nanopilares, que tenían el mismo diámetro en toda su longitud ".
Los trabajos teóricos y experimentales han demostrado que las matrices 3-D de nanopilares semiconductores, con un diámetro bien definido, longitud y paso:sobresalen en atrapar la luz mientras usan menos de la mitad del material semiconductor requerido para las células solares de película delgada hechas de semiconductores compuestos, como el telururo de cadmio, y aproximadamente el uno por ciento del material utilizado en las células solares hechas de silicio a granel. Pero hasta el trabajo de Javey y su grupo de investigación, Fabricar estos nanopilares fue un procedimiento complejo y engorroso.
Javey y sus colegas crearon sus nanopilares de doble diámetro a partir de moldes que hicieron en una lámina de alúmina de 2,5 milímetros de espesor. Se utilizó un proceso de anodización de dos pasos para crear una matriz de poros de un micrómetro de profundidad en el molde con dos diámetros:estrechos en la parte superior y anchos en la parte inferior. Luego se depositaron partículas de oro en los poros para catalizar el crecimiento de los nanopilares semiconductores.
“Este proceso permite un control preciso de la geometría y la forma de las matrices de nanopilares monocristalinos, sin el uso de complejos procesos epitaxiales y / o litográficos, ”Dice Javey. "A una altura de solo dos micrones, Nuestras matrices de nanopilares pudieron absorber el 99 por ciento de todos los fotones con longitudes de onda de entre 300 y 900 nanómetros, sin tener que depender de ningún revestimiento antirreflectante ”.
Los nanopilares de germanio se pueden ajustar para absorber fotones infrarrojos para detectores altamente sensibles, y los nanopilares de sulfuro / telururo de cadmio son ideales para las células solares. La técnica de fabricación es tan genérica, Javey dice:También se podría utilizar con muchos otros materiales semiconductores para aplicaciones específicas. Recientemente, él y su grupo demostraron que la parte transversal de las matrices de nanopilares también se puede ajustar para asumir formas específicas:cuadrado, rectángulo o círculo, simplemente cambiando la forma de la plantilla.
“Esto presenta otro grado de control en las propiedades de absorción óptica de los nanopilares, ”Dice Javey.
La investigación de nanopilares de doble diámetro de Javey fue financiada parcialmente a través del Centro de Sistemas Nanomecánicos Integrados (COINS) de la Fundación Nacional de Ciencias y de los fondos LDRD de Berkeley Lab.
