La conversión directa de la luz solar en electricidad mediante energía fotovoltaica se está convirtiendo en una tecnología cada vez más importante para la generación de energía renovable como reemplazo de los combustibles fósiles. con aplicaciones que van desde la generación a gran escala hasta los paneles solares en la azotea e incluso los teléfonos móviles. Pero la energía fotovoltaica todavía representa solo una fracción marginal del suministro mundial de energía. Una de las principales razones de esto es el costo relativamente alto del material base, el silicio, utilizado en el tipo más común de celda solar.

El silicio es un medio popular para la conversión de energía solar debido a su alta eficiencia de conversión, pero la creciente demanda de su uso en células fotovoltaicas está provocando una escasez en el suministro del silicio de alta calidad necesario para las aplicaciones de células solares. Producir el silicio y fabricar las células solares también requiere salas limpias altamente controladas para el procesamiento de semiconductores. lo que se suma al costo total de fabricación. Además, hay una mayor demanda del mercado de grandes superficies, ligero, fuentes de energía flexibles para dispositivos electrónicos portátiles y energía en áreas remotas. "Un bajo costo, alternativa flexible o complemento al silicio es fundamental para el futuro de la tecnología fotovoltaica, "Dice Jie Zhang, Responsable del programa fotovoltaico y científico senior del grupo de Síntesis e Integración del Instituto A * STAR de Investigación e Ingeniería de Materiales (IMRE).

Insumo orgánico

Los investigadores de materiales están haciendo todo lo posible para diseñar sistemas fotovoltaicos que puedan aliviar esta dependencia del silicio. En el IMRE, los investigadores están desarrollando semiconductores orgánicos, que potencialmente podría reemplazar al silicio en las células solares, como parte de su programa de electrónica imprimible. La electrónica imprimible implica el uso de moléculas semiconductoras basadas en polímeros, que se puede disolver fácilmente en un disolvente como una tinta e imprimirse como circuitos en películas flexibles sin la necesidad de costosas instalaciones de sala limpia. Una ventaja significativa de la electrónica imprimible es que la tecnología es compatible con las técnicas de impresión industrial existentes. La tecnología permite explorar aplicaciones que requieren una flexibilidad extrema, como pantallas flexibles y papel electrónico.

La mayoría de las células fotovoltaicas se basan en silicio cristalino, que es la forma de silicio más cara de producir. Una segunda generación de células solares basadas en silicio amorfo de película delgada sobre vidrio o metal, mucho más barata, está ahora disponible comercialmente en forma de retroiluminación de pantallas y aplicaciones similares. Las células fotovoltaicas basadas en moléculas orgánicas se consideran la tercera generación de esta tecnología. y el enfoque está atrayendo la atención debido a las posibilidades de flexibilidad mecánica y procesabilidad de la solución. Las células solares orgánicas también son atractivas porque son adecuadas para uso en interiores; a diferencia de los dispositivos basados ​​en silicio, los orgánicos pueden generar energía en las condiciones de poca luz de los ambientes interiores. La aplicación práctica de compuestos orgánicos en células fotovoltaicas, sin embargo, se ha visto limitada debido a la escasa eficiencia de conversión de los compuestos orgánicos conocidos para la luz natural. “Queremos desarrollar materiales fotovoltaicos orgánicos que sean lo más eficientes posible para absorber los fotones de la luz solar, ”Dice Zhikuan Chen, jefe de grupo y científico senior del grupo de Síntesis e Integración del IMRE. Chen es responsable del desarrollo de polímeros semiconductores de alto rendimiento.

Los derivados del politiofeno son los materiales orgánicos más estudiados para la energía fotovoltaica, y algunos informes han demostrado que estos materiales tienen una alta movilidad de carga, que es un parámetro importante del rendimiento de la célula fotovoltaica. Sin embargo, Los investigadores han encontrado difícil lograr una alta eficiencia de conversión y una alta movilidad de carga al mismo tiempo.

En su estudio más reciente, El equipo de Chen combinó tiofeno con benzotiadiazol para formar un copolímero con una banda prohibida de energía estrecha adecuada para la absorción de la luz solar. Un transistor de efecto de campo basado en este polímero logró una movilidad de carga comparable a la de los transistores de efecto de campo basados ​​en polímeros disponibles comercialmente. Al mismo tiempo, el dispositivo logró una eficiencia de conversión del 6.26%, uno de los mejores resultados para un polímero. “Ahora estamos trabajando en nuevos polímeros de captación de luz y nuevos materiales de transporte de electrones para mejorar la eficiencia de conversión al 10%, ”Dice Chen. A ese nivel de eficiencia, la producción en masa de células fotovoltaicas orgánicas sería viable.

Fabricación rollo a rollo de gran superficie de productos electrónicos impresos y películas funcionales

La capacidad de imprimir o depositar moléculas orgánicas e inorgánicas en grandes áreas también abre una gama de nuevas aplicaciones para la energía fotovoltaica orgánica de gran superficie. electrónica impresa y películas funcionales. Los científicos e ingenieros de A * STAR están trabajando ahora para resolver una serie de desafíos del proceso de fabricación como parte de un proyecto de "ampliación" realizado por el Instituto de Tecnología de Fabricación de Singapur (SIMTech). El proyecto de ampliación está dirigido por el equipo de Albert Lu, un científico senior y gerente de programa para el Programa de Procesamiento de Grandes Áreas en SIMTech.

Lu y sus colegas están buscando plataformas tecnológicas disruptivas para la fabricación rollo a rollo de materiales funcionales imprimibles orgánicos e inorgánicos. Este proceso podría utilizarse para la producción en masa de dispositivos de película fina y gruesa, incluidos sensores, baterías y fotovoltaica. Los investigadores están estudiando en particular cómo se pueden depositar las moléculas de "tinta" con alta precisión en sustratos flexibles de hasta 1 metro de ancho. También están investigando procesos para crear patrones, repujado y laminado de películas funcionales, así como técnicas de inspección de bandas y mecatrónica de bandas. A diferencia de la fabricación de circuitos electrónicos convencionales, que requiere el procesamiento por lotes de obleas, Los sistemas de procesamiento de gran superficie implican un proceso de fabricación continuo similar al de una imprenta. “El procesamiento de rollo a rollo plantea desafíos muy diferentes a los del procesamiento de semiconductores convencional, pero se espera que abra una nueva era en la electrónica impresa y las películas funcionales, ”Dice Lu.

SIMTech está estableciendo actualmente un sistema de producción piloto capaz de procesar productos electrónicos impresos de gran superficie y películas funcionales de hasta 1 metro de ancho de banda. Lu dice que SIMTech también está colaborando estrechamente con la industria de la impresión y los medios en Singapur para capturar oportunidades de mercados emergentes rápidamente y aprovechar las tecnologías de fabricación de alta velocidad, como la impresión por inyección de tinta. serigrafía e impresión flexográfica.

Atrapando fotones con nanoestructuras

Los materiales orgánicos son prometedores para la energía fotovoltaica, dice Lu, pero no podrán reemplazar completamente al silicio. De hecho, la investigación sobre un uso más eficaz del silicio todavía está muy viva. En el Instituto A * STAR de Microelectrónica, Navab Singh, investigador principal del programa Nano Electronics &Photonics, está realizando ajustes microelectrónicos para mejorar la utilidad del silicio en la energía fotovoltaica.

Las células solares clásicas basadas en silicio están hechas de dos capas de diferentes tipos de silicio, tipo n (rico en electrones) y tipo p (rico en huecos), que se ponen en contacto para formar una unión electrónica. La corriente eléctrica se genera cuando la luz que llega al silicio libera pares de electrones y huecos libres a una corta distancia de la interfaz de unión. Debido a la reflexión y la absorción de luz en lugares alejados de la unión, el número de pares de electrones y huecos que participan en la generación de energía es relativamente bajo en la estructura clásica. Para abordar estas deficiencias, Singh y sus compañeros investigadores están intentando implantar cientos de nanómetros, pilares fotovoltaicos a base de silicio en la superficie del silicio. "Cuando haces patrones a nanoescala en la superficie superior, no solo reduce la reflexión, pero también puede aumentar la absorción de luz dentro de una capa de silicio muy delgada para que todos los portadores se puedan generar cerca de la unión ”, dice Singh. "Este proceso también reduce el costo de los materiales". Singh dice que la tecnología de nanopilares de su equipo requiere solo una capa de 2 micrómetros de espesor, en comparación con las capas de 300 micrómetros de espesor necesarias en diseños anteriores.

Usando esta tecnología de nanopilares, Singh y sus colegas demostraron recientemente la densidad de corriente más alta alcanzada hasta ahora para las células solares nanoestructuradas basadas en silicio. También están buscando otras formas de mejorar aún más el rendimiento. Uno de los temas que se están debatiendo activamente es cómo diseñar los dispositivos fotovoltaicos para aprovechar al máximo la energía solar. como diseñar múltiples uniones con varios materiales de aleación de silicio y diseñar estructuras que favorezcan la generación de múltiples pares de electrones y huecos. La compatibilidad con los procesos de fabricación de semiconductores existentes también es un parámetro de diseño clave. "Aprovechamos la tecnología existente para hacer las cosas más emocionantes, ”Dice Singh.