Un informe, publicado en la edición del 14 de marzo de la Revista de química de materiales , anunció la fabricación y prueba con éxito de un nuevo tipo de célula solar utilizando una estructura de nanocables de núcleo / capa inorgánica.

Las matrices de nanocables de núcleo / capa (que se describen como "cables coaxiales cuánticos") se habían teorizado previamente como una estructura potencial que, si bien está compuesto por materiales inorgánicos con banda prohibida grande químicamente más estables, también debe ser capaz de absorber la amplia gama de longitudes de onda presentes en la luz solar. Los semiconductores de banda prohibida alta generalmente no se consideran efectivos para absorber la mayoría de las longitudes de onda disponibles en la radiación solar por sí mismos. Por ejemplo, El óxido de zinc (ZnO) de banda prohibida alta es transparente en el visible pero absorbente en el rango ultravioleta, y por lo tanto se usa ampliamente en protectores solares, pero no se consideró útil en células solares.

En el informe, Un equipo de investigadores de la Universidad de Xiamen en China y la Universidad de Carolina del Norte en Charlotte describen cómo crear con éxito nanocables de óxido de zinc (ZnO) con un recubrimiento de seleniuro de zinc (ZnSe) para formar una estructura de material conocida como heterounión de tipo II que tiene una significativa bandgap más bajo que cualquiera de los materiales originales. El equipo informó que, posteriormente, las matrices de nanocables estructurados pudieron absorber la luz de las longitudes de onda visible e infrarroja cercana. y mostrar el uso potencial de materiales con banda prohibida amplia para un nuevo tipo de célula solar asequible y duradera.

"Los materiales de banda prohibida alta tienden a ser químicamente más estables que los semiconductores de banda prohibida más baja que tenemos actualmente, "señaló el miembro del equipo Yong Zhang, Profesor Distinguido Bissell en el Departamento de Ingeniería Eléctrica e Informática y en el Centro de Producción e Infraestructura de Energía (EPIC) de la Universidad de Carolina del Norte en Charlotte.

"Y estas estructuras de nanocables se pueden fabricar utilizando una tecnología de muy bajo costo, utilizando una técnica de deposición química de vapor (CVD) para hacer crecer la matriz, ", agregó." En comparación, Las células solares que utilizan silicio y arseniuro de galio requieren técnicas de producción más caras ".

Basado en un concepto publicado en Nano Letters en 2007 por Zhang y sus colaboradores Lin-Wang Wang (Laboratorio Nacional Lawrence Berkeley) y Angelo Mascarenhas (Laboratorio Nacional de Energía Renovable), la matriz fue fabricada por los colaboradores actuales de Zhang, Zhiming Wu, Jinjian Zheng, Xiangan Lin, Xiaohang Chen, Binwang Huang, Huiqiong Wang, Kai Huang, Shuping Li y Junyong Kang en el Laboratorio de Materiales Semiconductores y Aplicaciones Clave de Fujian en el Departamento de Física de la Universidad de Xiamen, Porcelana.

Los intentos anteriores de utilizar materiales con banda prohibida alta en realidad no usaban los semiconductores para absorber la luz, sino que implicaban recubrirlos con moléculas orgánicas (tintes) que lograban la fotoabsorción y simplemente transmitían electrones al material semiconductor. A diferencia de, Los nanocables de heterounión del equipo absorben la luz directamente y conducen una corriente de manera eficiente a través de cables "coaxiales" de tamaño nanométrico, que separan las cargas colocando los electrones excitados en los núcleos de óxido de zinc de los cables y los "agujeros" en las capas de seleniuro de zinc.

"Al crear una arquitectura de heterounión especial a nanoescala, también estamos fabricando nanocables coaxiales que son buenos para la conductividad, ", dijo Zhang." Incluso si tienes una buena absorción de luz y estás creando pares de electrones y huecos, necesitas poder sacarlos al circuito para que se actualicen, entonces necesitamos tener buena conductividad. Estos nanocables coaxiales son similares al cable coaxial en ingeniería eléctrica. Así que básicamente tenemos dos canales conductores:el electrón va en una dirección en el núcleo y el agujero en la otra dirección en la capa ".

Los nanocables se crearon primero haciendo crecer una matriz de "cables" de cristal de óxido de zinc de seis lados a partir de una película delgada del mismo material mediante deposición de vapor. La técnica creó un bosque de cristales de óxido de zinc en forma de aguja de lados lisos con diámetros uniformes (40 a 80 nanómetros) a lo largo de su longitud (aproximadamente 1,4 micrómetros). Luego se depositó una cubierta de seleniuro de zinc algo más rugosa para recubrir todos los alambres. Finalmente, se unió una película de óxido de indio y estaño (ITO) al revestimiento de seleniuro de zinc, y se conectó una sonda de indio a la película de óxido de zinc, creando contactos para cualquier corriente generada por la celda.

"Medimos el dispositivo y mostramos que el umbral de fotorrespuesta era de 1,6 eV, "Zhang dijo, observando que, por lo tanto, la celda era eficaz para absorber longitudes de onda de luz desde el ultravioleta al infrarrojo cercano, un rango que cubre la mayor parte de la radiación solar que llega a la superficie terrestre.

Aunque el uso de nanocables para absorber energía luminosa es una innovación importante, quizás aún más importante es el éxito de los investigadores en el uso de materiales semiconductores inorgánicos estables de banda prohibida alta para un dispositivo de energía solar económico pero eficaz.

"Este es un nuevo mecanismo, Dado que estos materiales anteriormente no se consideraban directamente útiles para las células solares, "Dijo Zhang. Hizo hincapié en que las aplicaciones del concepto no terminan ahí, sino que abren la puerta a considerar un mayor número de materiales semiconductores de banda prohibida alta con propiedades materiales muy deseables para diversas aplicaciones relacionadas con la energía solar". como la generación de hidrógeno por división fotoelectroquímica del agua.

"El uso ampliado de heteroestructuras a nanoescala de tipo II también amplía su uso para otras aplicaciones, como fotodetectores - detector de infrarrojos en particular, " El lo notó.