Los visitantes de Statuary Hall en el edificio del Capitolio de los EE. UU. Pueden haber experimentado una característica acústica curiosa que permite a una persona susurrar suavemente a un lado del cavernoso:sala de media cúpula y para otro en el otro lado para escuchar cada sílaba. El sonido se mueve alrededor del perímetro semicircular de la habitación casi sin fallas. El fenómeno se conoce como galería susurrante.

En un artículo publicado en Comunicaciones de la naturaleza , Un equipo de ingenieros de Stanford describe cómo ha creado diminutas esferas huecas de silicio nanocristalino fotovoltaico y cómo ha aprovechado la física para hacer por la luz lo que las salas circulares hacen por el sonido. Los resultados, dicen los ingenieros, podría reducir drásticamente el uso de materiales y el costo de procesamiento.

"El silicio nanocristalino es un gran material fotovoltaico. Tiene una alta eficiencia eléctrica y es duradero bajo el sol intenso, "dijo Shanhui Fan, profesor de ingeniería eléctrica en Stanford y coautor del artículo. "Ambos han sido desafíos para otros tipos de películas solares delgadas".

La caída del silicio nanocristalino, sin embargo, ha sido su relativa pobre absorción de luz, que requiere capas gruesas que requieren mucho tiempo para fabricar.

Galerías susurrantes

Los ingenieros llaman a sus esferas nanocapas. Producir las conchas requiere un poco de magia de ingeniería. Los investigadores primero crean pequeñas bolas de sílice, el mismo material del que está hecho el vidrio, y las recubren con una capa de silicio. Luego, graban el centro del vidrio con ácido fluorhídrico que no afecta el silicio, dejando atrás la importantísima cáscara sensible a la luz. Estas conchas forman galerías ópticas susurrantes que capturan y recirculan la luz.

"La luz queda atrapada dentro de las nanocapas, "dijo Yi Cui, profesor asociado de ingeniería en ciencia de materiales en Stanford y autor principal del artículo. "Circula dando vueltas y vueltas en lugar de atravesarlo y esto es muy deseable para aplicaciones solares".

Los investigadores estiman que la luz circula alrededor de la circunferencia de las conchas unas cuantas veces durante las cuales la energía de la luz es absorbida gradualmente por el silicio. Cuanto más tiempo puedan mantener la luz en el material, mejor será la absorción.

"Este es un nuevo enfoque para la absorción de luz de banda ancha. El uso de modos resonantes de galería de susurros dentro de nanocapas es muy emocionante, "dijo Yan Yao, investigador postdoctoral en el Cui Lab y coautor principal del artículo. "No solo puede conducir a mejores células solares, pero se puede aplicar en otras áreas donde la absorción de luz eficiente es importante, como combustibles solares y fotodetectores ".

Superando cualquier dificultad

Al medir la absorción de luz en una sola capa de nanocapas, el equipo mostró una absorción significativamente mayor en un espectro de luz más amplio que una capa plana de silicio depositado al lado de las nanocapas.

"Las carcasas esféricas nanométricas realmente alcanzan un punto óptimo y maximizan la eficiencia de absorción de la película. Las carcasas permiten que la luz entre fácilmente en la película y la atrapan para mejorar la absorción de una manera que las contrapartes a gran escala no pueden. el poder de la nanotecnología, "dijo Jie Yao, investigador postdoctoral en el laboratorio de Cui y coautor principal del artículo.

Más lejos, depositando dos o incluso tres capas de nanocapas una encima de la otra, el equipo provocó la absorción aún más. Con una estructura de tres capas, pudieron lograr una absorción total del 75% de la luz en ciertos rangos importantes del espectro solar.

Estructura inteligente

Habiendo demostrado una mejor absorción, los ingenieros continuaron mostrando cómo su inteligente estructura pagará dividendos más allá de la mera captura de luz.

Primero, Las nanoconchas se pueden fabricar rápidamente. "Una película plana de un micrón de espesor de silicio nanocristalino sólido puede tardar unas horas en depositarse, mientras que las nanoconchas que logran una absorción de luz similar toman solo unos minutos, "dijo Yan.

La estructura de nanocapas también utiliza sustancialmente menos material, una vigésima parte de la del silicio nanocristalino sólido.

"Una vigésima parte del material, por supuesto, cuesta una vigésima parte y pesa una vigésima parte de lo que hace una capa sólida, ", dijo Jie." Esto podría permitirnos producir de manera rentable células solares de mejor rendimiento de materiales raros o costosos ".

"La película solar de nuestro papel está hecha de silicio relativamente abundante, pero en el camino la reducción de materiales que ofrecen las nanocapas podría resultar importante para ampliar la fabricación de muchos tipos de células de película delgada, como los que utilizan materiales más raros como el telurio y el indio ", dijo Vijay Narasimhan, candidato a doctorado en el Cui Lab y coautor del artículo.

Finalmente, las nanocapas son relativamente indiferentes al ángulo de la luz entrante y las capas son lo suficientemente delgadas como para que puedan doblarse y torcerse sin dañarse. Estos factores pueden abrir una serie de nuevas aplicaciones en situaciones en las que no siempre es posible lograr un ángulo de entrada óptimo de la luz solar. Imagínese velas solares en alta mar o ropa fotovoltaica para escalar montañas.

"Esta nueva estructura es solo el comienzo y demuestra algunos de los emocionantes potenciales del uso de estructuras nanofotónicas avanzadas para mejorar la eficiencia de las células solares". "dijo Shanhui Fan.