(PhysOrg.com) - Las células solares o fotovoltaicas representan una de las mejores tecnologías posibles para proporcionar una fuente de energía absolutamente limpia y prácticamente inagotable para alimentar nuestra civilización. Sin embargo, para que este sueño se haga realidad, Las células solares deben fabricarse a partir de elementos económicos utilizando bajo costo, química de procesamiento que consume menos energía, y necesitan convertir la luz solar en electricidad de manera eficiente y rentable. Un equipo de investigadores del Laboratorio Nacional Lawrence Berkeley del Departamento de Energía de EE. UU. (DOE) ha demostrado ahora dos de tres de estos requisitos con un comienzo prometedor en el tercero.

Peidong Yang, químico de la División de Ciencias de los Materiales de Berkeley Lab, Lideró el desarrollo de una técnica basada en soluciones para fabricar células solares de nanocables de núcleo / carcasa utilizando los semiconductores sulfuro de cadmio para el núcleo y sulfuro de cobre para la carcasa. Estas células solares de nanocables económicas y fáciles de fabricar tenían valores de factor de llenado y voltaje de circuito abierto superiores a las células solares planas convencionales. Juntos, el voltaje de circuito abierto y el factor de llenado determinan la energía máxima que puede producir una celda solar. Además, los nuevos nanocables también demostraron una eficiencia de conversión de energía del 5,4 por ciento, que es comparable a las células solares planas.

"Esta es la primera vez que se utiliza una técnica química de intercambio catiónico basada en una solución para la producción de nanocables monocristalinos de alta calidad de sulfuro de cadmio / sulfuro de cobre con núcleo / capa, ", Dice Yang." Nuestro logro, junto con el aumento de la absorción de luz que hemos demostrado previamente en matrices de nanocables a través de la captura de luz, indica que los nanocables de núcleo / caparazón son realmente prometedores para la futura tecnología de células solares ".

Yang quien tiene una cita conjunta con la Universidad de California (UC) Berkeley, es el autor correspondiente de un artículo que informa sobre esta investigación y que aparece en la revista Nature Nanotechnology. El artículo se titula "Nanocables núcleo-capa procesados ​​en solución para células fotovoltaicas eficientes". Los coautores de este artículo con Yang fueron Jinyao Tang, Ziyang Huo, Sarah Brittman y Hanwei Gao.

Las células solares típicas de hoy en día están hechas de obleas de silicio monocristalino ultrapuro que requieren alrededor de 100 micrómetros de espesor de este material muy caro para absorber suficiente luz solar. Es más, el alto nivel de purificación de cristales requerido hace que la fabricación de incluso la célula solar plana basada en silicio más simple sea un complejo, proceso costoso y que consume mucha energía.

Una alternativa muy prometedora serían los nanocables semiconductores:tiras unidimensionales de materiales cuyo ancho mide solo una milésima parte del de un cabello humano, pero cuya longitud puede extenderse hasta una escala milimétrica. Las células solares fabricadas con nanocables ofrecen una serie de ventajas sobre las células solares planas convencionales, incluyendo mejores capacidades de recolección y separación de carga, además, pueden estar hechos de materiales abundantes en la Tierra en lugar de silicio altamente procesado. Hasta la fecha, sin embargo, las menores eficiencias de las células solares basadas en nanocables han superado sus beneficios.

"Las células solares de nanocables en el pasado han demostrado factores de llenado y voltajes de circuito abierto muy inferiores a los de sus contrapartes planas, ", Dice Yang." Las posibles razones de este bajo rendimiento incluyen la recombinación de la superficie y el control deficiente sobre la calidad de las uniones p-n cuando se utilizan procesos de dopaje de alta temperatura ".

En el corazón de todas las células solares hay dos capas separadas de material, uno con abundancia de electrones que funcionan como un polo negativo, y uno con abundancia de huecos de electrones (espacios de energía cargados positivamente) que funcionan como un polo positivo. Cuando se absorben los fotones del sol, su energía se utiliza para crear pares de electrones y huecos, que luego se separan en la unión p-n, la interfaz entre las dos capas, y se recolectan como electricidad.

Hace un año, trabajando con silicio, Yang y los miembros de su grupo de investigación desarrollaron una forma relativamente económica de reemplazar las uniones p-n planas de las células solares convencionales con una unión p-n radial, en el que una capa de silicio de tipo n formaba una capa alrededor de un núcleo de nanocables de silicio de tipo p. Esta geometría convirtió efectivamente cada nanoalambre individual en una celda fotovoltaica y mejoró en gran medida las capacidades de captura de luz de las películas delgadas fotovoltaicas basadas en silicio.

Ahora han aplicado esta estrategia a la fabricación de nanocables de núcleo / capa utilizando sulfuro de cadmio y sulfuro de cobre, pero esta vez usando química en solución. Estos nanocables de núcleo / capa se prepararon utilizando una reacción de intercambio de cationes (iones negativos) basada en solución que fue desarrollada originalmente por el químico Paul Alivisatos y su grupo de investigación para hacer puntos cuánticos y nanovarillas. Alivisatos es ahora el director de Berkeley Lab, y el profesor de nanotecnología Larry y Diane Bock de UC Berkeley.

"Los nanocables de sulfuro de cadmio iniciales se sintetizaron mediante transporte físico de vapor utilizando un mecanismo de vapor-líquido-sólido (VLS) en lugar de química húmeda, lo que nos dio material de mejor calidad y mayor longitud física, pero ciertamente también se pueden fabricar usando un proceso de solución ", dice Yang." Los nanocables de sulfuro de cadmio monocristalinos recién desarrollados tienen diámetros de entre 100 y 400 nanómetros y longitudes de hasta 50 milímetros ".

Luego, los nanocables de sulfuro de cadmio se sumergieron en una solución de cloruro de cobre a una temperatura de 50 grados Celsius y se mantuvieron allí durante 5 a 10 segundos. La reacción de intercambio catiónico convirtió la capa superficial del sulfuro de cadmio en una capa de sulfuro de cobre.

"La reacción de intercambio catiónico basada en solución nos proporciona una método de bajo costo para preparar nanomateriales heteroepitaxiales de alta calidad, "Yang dice". Además, evita las dificultades del dopaje y la deposición a alta temperatura para los métodos típicos de producción en fase de vapor, lo que sugiere costos de fabricación mucho más bajos y mejor reproducibilidad. Todo lo que realmente necesitamos son vasos y matraces para este proceso basado en soluciones. No hay ninguno de los altos costos de fabricación asociados con la deposición de vapor químico epitaxial en fase gaseosa y la epitaxia de haz molecular, las técnicas más utilizadas hoy en día para fabricar nanocables semiconductores ".

Yang y sus colegas creen que pueden mejorar la eficiencia de conversión de energía de sus nanocables de células solares aumentando la cantidad de material de la cubierta de sulfuro de cobre. Para que su tecnología sea comercialmente viable, necesitan alcanzar una eficiencia de conversión de energía de al menos el diez por ciento.