(PhysOrg.com) - Las células solares de mejor rendimiento son aquellas que son lo suficientemente gruesas para absorber la luz de todo el espectro solar, mientras que las células solares más baratas son delgadas, ya que requieren menos, y potencialmente más barato, material. En un intento por combinar lo mejor de ambos mundos, Un equipo de científicos ha esbozado diseños para células solares que pueden absorber luz de todo el espectro solar y que tienen un grosor de tan solo 10 nanómetros. El nuevo enfoque de diseño, lo que podría conducir a la mejora de las células solares de bajo costo, requiere superar un límite termodinámico de captura de luz propuesto en la década de 1980.

Los científicos, Dennis Callahan, Jeremy Munday, y Harry Atwater, del Instituto de Tecnología de California en Pasadena, California, han informado del nuevo método de captura de luz más allá del límite convencional en un estudio publicado en una edición reciente de Nano letras .

Su trabajo aborda un estudio de 1982 que propuso un límite termodinámico sobre la cantidad del rango de longitud de onda óptica que pueden absorber las placas semiconductoras a granel homogéneas. El límite requiere que estos materiales tengan un espesor mínimo para absorber la luz del espectro solar completo. Como resultado, Las células solares semiconductoras de hoy en día están generalmente diseñadas con capas absorbentes gruesas para atrapar la mayor cantidad de luz solar posible. que puede ser costoso y complicado de fabricar.

Los análisis previos de este límite de atrapamiento de luz (que a veces se denomina límite de rayos ópticos o límite de atrapamiento de luz ergódico) han demostrado que algunas células solares realmente exceden el límite al aprovechar las interacciones de las ondas. Aunque los investigadores han explicado teóricamente cómo sucede esto en casos seleccionados, No existe una explicación general que pueda extenderse a la amplia variedad de esquemas propuestos de captura de luz que también pueden exceder el límite.

Aquí, los científicos de Caltech han propuesto que la clave para superar el límite de atrapamiento de luz radica en aumentar la densidad de los estados ópticos de un semiconductor. Debido a que cada uno de estos estados puede aceptar luz de cierta longitud de onda, tener más de ellos puede aumentar la cantidad de luz que puede absorber un material.

“Ahora está claro cómo pensar y diseñar células solares que potencialmente puedan exceder este límite anterior de captura de luz, "Callahan dijo PhysOrg.com . "Todo lo que tienes que hacer es pensar en una forma de aumentar la densidad de los estados ópticos, y luego poblar estos estados. Hay muchas herramientas y métodos que se han diseñado para aumentar la densidad de estados ópticos para otras áreas de investigación, por ejemplo, comunicación óptica y óptica cuántica. Pero ahora los investigadores de células solares pueden tomar estas ideas y ponerlas en el contexto apropiado para las células solares con la ayuda de nuestro trabajo. También, si alguien está trabajando con un tipo particular de celda solar, ahora debería quedar claro si tiene potencial para superar el límite anterior o no ".

Los investigadores demostraron que cualquier material semiconductor puede exceder el límite de captura de luz cuando la densidad local de estados ópticos (LDOS) de su capa absorbente excede el LDOS del material semiconductor a granel. También muestran que mejorar el LDOS del absorbente a un nivel necesario para absorber el 99,9% del espectro solar es factible incluso para semiconductores tan delgados como 10-100 nanómetros (en comparación con las capas de un micrómetro de espesor utilizadas en los dispositivos comerciales actuales).

“Nuestros resultados sugieren que si se puede diseñar el entorno electromagnético de la manera correcta, debería ser posible reducir el espesor de 10 nm, —Dijo Callahan. “Es solo una cuestión de cómo diseñarlo adecuadamente y sin introducir pérdidas parasitarias no deseadas. Este es sin duda un desafío, pero es algo en lo que estamos pensando actualmente. Ahora, una celda solar de 10 nm probablemente no sea práctica por otras razones, como la necesidad de múltiples capas, recombinación de superficie, efectos cuánticos potenciales, etc., pero todavía está dentro del ámbito de la posibilidad ".

El límite más importante para aumentar el LDOS de la capa absorbente surge debido a las "reglas de suma de densidad de estados, ”Que dicen que aumentar el LDOS en una región del espectro da como resultado una disminución en otra región del espectro. Como explican los científicos, esta conservación de LDOS ocurre naturalmente mediante un proceso llamado reponderación espectral, y también puede potencialmente ser diseñado artificialmente. Aunque esta regla impone un límite superior a la absorbancia de una célula solar, los investigadores explican que no debería limitar la absorbancia de las células solares con fines prácticos. Esto se debe a que la mejora de LDOS solo es necesaria en el espectro solar, mientras que LDOS se puede reducir en cualquier región fuera del espectro solar, un área mucho más grande. Por esta razón, otros límites físicos y prácticos, como desafíos de saturación o fabricación, probablemente será relevante antes de que se alcance un límite para aumentar el LDOS.

Los científicos también demostraron que una variedad de diseños de absorbedores solares pueden cumplir con los criterios fundamentales propuestos aquí para exceder el límite convencional de captura de luz. es decir., exhibiendo un LDOS que es más alto que el del material a granel. Algunos diseños incluyen el uso de materiales plasmónicos, guías de ondas dieléctricas, cristales fotónicos, y otros dispositivos.

“Actualmente estamos tratando de encontrar formas de diseñar y aumentar la densidad de estados ópticos tan alto como podamos dentro de un diseño práctico de células solares, —Dijo Callahan. “Esta es una tarea desafiante para materiales de alto índice como el silicio, pero hay muchas posibilidades que estamos examinando actualmente y que parecen prometedoras ".

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