Los microalambres hechos de silicona (alambres diminutos con un grosor comparable al de un cabello humano) tienen una amplia gama de usos posibles, incluida la producción de células solares que pueden captar mucha más luz solar para una determinada cantidad de material que una célula solar convencional hecha de una fina oblea de cristal de silicio. Ahora, investigadores del MIT y Penn State han encontrado una forma de producir tales cables en cantidad de una manera altamente controlada que podría ampliarse a un proceso a escala industrial. potencialmente conduciendo a aplicaciones comerciales prácticas.

Ya se conocen otras formas de hacer tales cables, y varios investigadores han elaborado prototipos de células solares a partir de ellos. Pero estos métodos tienen serias limitaciones, dice Tonio Buonassisi, Profesor de ingeniería mecánica del MIT y coautor de un artículo sobre el nuevo trabajo que se publicó recientemente en línea en la revista. Pequeña , y pronto aparecerá en la edición impresa. La mayoría requiere varios pasos de fabricación adicionales, proporcionan poco control sobre los tamaños exactos y el espaciado de los cables, y solo trabaje en superficies planas. Por el contrario, el nuevo proceso es simple pero permite un control preciso sobre las dimensiones y el espaciado de los cables, y teóricamente podría hacerse en cualquier tipo de curva, Superficie 3-D.

Se cree que los microalambres son capaces de alcanzar eficiencias cercanas a las de las células solares convencionales para convertir la luz solar en electricidad. pero debido a que los cables son tan pequeños, lo harían usando solo una pequeña fracción de la cantidad de silicio costoso necesario para las celdas convencionales, logrando así potencialmente importantes reducciones de costes.

Además del uso potencial de los microalambres en células solares, otros investigadores han propuesto formas en que estos cables microscópicos podrían usarse para construir nuevos tipos de transistores y circuitos integrados, así como electrodos para baterías avanzadas y ciertos tipos de dispositivos de monitoreo ambiental. Para que cualquiera de estas ideas sea práctica, sin embargo, debe haber un eficiente, método de fabricación escalable.

El nuevo método implica calentar y contaminar intencionalmente la superficie de una oblea de silicio con cobre, que se difunde en el silicio. Luego, cuando el silicio se enfría lentamente, el cobre se difunde para formar gotitas en la superficie. Luego, cuando se coloca en una atmósfera de gas tetracloruro de silicio, Los microalambres de silicio comienzan a crecer hacia afuera donde hay una gota de cobre en la superficie. El silicio del gas se disuelve en estas gotitas de cobre, y luego, después de alcanzar una concentración suficiente, comienza a precipitarse en el fondo de la gota, sobre la superficie de silicio de abajo. Esta acumulación de silicio se alarga gradualmente para formar microcables, cada uno de ellos de solo 10 a 20 micrómetros (millonésimas de metro) de ancho, creciendo desde la superficie. Todo el proceso se puede realizar repetidamente a escala de fabricación industrial, Buonassisi dice:o incluso podría potencialmente adaptarse a un proceso continuo.

El espaciado de los cables está controlado por las texturas creadas en la superficie (pequeños hoyuelos pueden formar centros para las gotas de cobre), pero el tamaño de los cables está controlado por las temperaturas utilizadas para la etapa de difusión del proceso. Por lo tanto, a diferencia de otros métodos de producción, el tamaño y el espaciado de los cables se pueden controlar de forma independiente entre sí, Dice Buonassisi.

El trabajo realizado hasta ahora es solo una prueba de principio, él dice, y queda más trabajo por hacer para encontrar las mejores combinaciones de perfiles de temperatura, concentraciones de cobre y patrones de superficie para diversas aplicaciones, ya que el proceso permite diferencias de órdenes de magnitud en el tamaño de los cables. Por ejemplo, Queda por determinar qué grosor y espaciado de cables produce las células solares más eficientes. Pero este trabajo demuestra un potencial para un tipo de celda solar basada en tales cables que podría reducir significativamente los costos. ambos permitiendo el uso de grados más bajos de silicio (es decir, menos refinado), Dado que el proceso de crecimiento del alambre ayuda a purificar el material, y al usar cantidades mucho más pequeñas, ya que los diminutos cables están formados por una pequeña fracción de la cantidad necesaria para las obleas de cristal de silicio convencionales. "Esto todavía se encuentra en una etapa muy temprana, "Buonassisi dice, porque al decidir la configuración de una célula solar de este tipo "hay tantas cosas que optimizar".

Michael Kelzenberg, un becario postdoctoral en el Instituto de Tecnología de California que ha pasado los últimos cinco años investigando sobre microalambres de silicio, dice que mientras que otros han utilizado la técnica de gotas de cobre para cultivar microalambres, "Lo que es realmente nuevo aquí es el método de producir esas gotas de metal líquido". Mientras que otros han tenido que colocar las gotas de cobre fundido en la placa de silicio, requiriendo pasos de procesamiento adicionales, “Buonassisi y sus colegas han demostrado que el metal se puede difundir en el sustrato de crecimiento de antemano, y mediante un cuidadoso calentamiento y enfriamiento, las gotas de metal se formarán por sí solas, con la posición y el tamaño correctos ".

Kelzenberg añade que su grupo de investigación ha demostrado recientemente que las células solares de microalambres de silicio pueden igualar la eficiencia de las células solares comerciales típicas de la actualidad. “Creo que el mayor desafío que queda es demostrar que esta técnica es más rentable o beneficiosa que otros métodos de producción de catalizadores metálicos, ”, Dice. Pero en general, él dice, alguna versión de la tecnología de microalambres de silicio “tiene el potencial de permitir reducciones drásticas de los costos” de los paneles solares.

Vidya Ganapati ’10 es coautor del artículo, estudiante de doctorado David Fenning, becaria postdoctoral Mariana Bertoni, y la especialista en investigación Alexandria Fecych, todo en el Departamento de Ingeniería Mecánica del MIT, y el investigador postdoctoral Chito Kendrick y la profesora Joan Redwing de la Universidad Estatal de Pensilvania. El trabajo fue apoyado por el Departamento de Energía de EE. UU., la Fundación de la Familia Chesonis y la Fundación Nacional de Ciencias.