El silicio altamente purificado representa hasta el 40 por ciento de los costos generales de las matrices de células solares convencionales, por lo que los investigadores han buscado durante mucho tiempo maximizar la producción de energía y minimizar el uso de silicio. Ahora, un equipo del MIT ha encontrado un nuevo enfoque que podría reducir el grosor del silicio utilizado en más del 90 por ciento sin dejar de mantener una alta eficiencia.

El secreto radica en un patrón de pequeñas pirámides invertidas grabadas en la superficie del silicio. Estas pequeñas hendiduras cada uno de menos de una millonésima de metro de ancho, puede atrapar los rayos de luz con la misma eficacia que las superficies de silicio sólido convencionales que son 30 veces más gruesas.

Los nuevos hallazgos se publican en la revista. Nano letras en un artículo del postdoctorado del MIT Anastassios Mavrokefalos, profesor Gang Chen y otros tres postdoctorados y estudiantes de posgrado, todo el Departamento de Ingeniería Mecánica del MIT.

"Consideramos que nuestro método mejora el rendimiento de las células solares de película delgada, "Mavrokefalos dice, pero en realidad funcionaría para cualquier celda de silicio. “Mejoraría la eficiencia, no importa el grosor, ”, Dice.

El estudiante de posgrado Matthew Branham, un coautor del artículo, dice, “Si puede reducir drásticamente la cantidad de silicio [en una celda solar] ... potencialmente puede hacer una gran diferencia en el costo de producción. El problema es, cuando lo haces muy fino, tampoco absorbe la luz ".

El funcionamiento de una célula solar se produce en dos pasos básicos:Primero, una partícula de luz entrante, llamado fotón, entra y es absorbido por el material, en lugar de reflejarse en su superficie o atravesarlo. Segundo, los electrones que se desprenden de sus átomos cuando ese fotón es absorbido, luego deben dirigirse a un cable donde se pueden aprovechar para producir una corriente eléctrica, en lugar de quedar atrapado por otros átomos.

Desafortunadamente, La mayoría de los esfuerzos para aumentar la capacidad del silicio cristalino delgado para atrapar fotones, como la creación de un bosque de diminutos nanocables de silicio en la superficie, también aumentan en gran medida la superficie del material. aumentando la posibilidad de que los electrones se recombinen en la superficie antes de que puedan ser aprovechados.

El nuevo enfoque evita ese problema. Las diminutas hendiduras de la superficie, el equipo las llama "nanopirámides invertidas", aumentan enormemente la absorción de luz. pero con solo un aumento del 70 por ciento en la superficie, limitar la recombinación de la superficie. Usando este método, una hoja de silicio cristalino de solo 10 micrómetros (millonésimas de metro) de espesor puede absorber la luz con la misma eficacia que una oblea de silicio convencional 30 veces más gruesa.

Eso no solo podría reducir la cantidad de costosos, silicio altamente purificado necesario para fabricar las células solares, Mavrokefalos explica, pero también redujo el peso de las células, lo que a su vez reduciría el material necesario para marcos y soportes. Los ahorros de costos potenciales son “no solo en el material de la celda, sino también en los costes de instalación, ”, Dice.

Además, la técnica desarrollada por Mavrokefalos y sus colegas utiliza equipos y materiales que ya son partes estándar del procesamiento de chips de silicio, por lo que no se requerirían nuevos productos químicos ni maquinaria de fabricación. "Es muy fácil de fabricar, "Mavrokefalos dice, sin embargo, "ataca grandes problemas".

Para crear pequeñas abolladuras, Los investigadores utilizan dos conjuntos de rayos láser superpuestos para producir orificios excepcionalmente pequeños en una capa de material, llamada fotorresistencia, que se deposita sobre el silicio. Esta técnica de litografía de interferencia es escalable a un área grande. Siguiendo varios pasos intermedios, Se utiliza una sustancia química llamada hidróxido de potasio para disolver las partes de la superficie que no estaban cubiertas por el fotorresistente. La estructura cristalina del silicio conduce a este proceso de grabado para producir las formas piramidales deseadas en la superficie, Dice Mavrokefalos.

Hasta aquí, el equipo solo ha llevado a cabo el primer paso hacia la fabricación del nuevo tipo de células solares, produciendo la superficie estampada en una oblea de silicio y demostrando su mejora en la captura de luz. El siguiente paso será agregar componentes para producir una celda fotovoltaica real y luego demostrar que su eficiencia es comparable a la de las celdas solares convencionales. La expectativa es que el nuevo enfoque produzca eficiencias de conversión de energía de alrededor del 20 por ciento, en comparación con el 24 por ciento de las mejores células solares de silicio comerciales actuales, pero esto aún no se ha demostrado en la práctica.

Chen, el profesor Carl Richard Soderberg de Ingeniería de Energía y director de los Laboratorios de Micro y Nano Ingeniería Pappalardo del MIT, dice que si todo va bien el sistema podría dar lugar a productos comerciales en un futuro próximo.

Chen dice que la idea se desarrolló después de analizar una gran variedad de posibles configuraciones de superficie en simulaciones por computadora, y encontrar el arreglo que mostrara las mayores mejoras potenciales en el desempeño. Pero muchos equipos de todo el mundo están siguiendo una serie de enfoques para mejorar el rendimiento de las células solares utilizando diferentes materiales, métodos y configuraciones de fabricación.

"Es difícil elegir un ganador, "Él dice, pero este enfoque es muy prometedor. "Estamos bastante optimistas de que este sea un enfoque viable".

Yi Cui, profesor asociado de ciencia e ingeniería de materiales en la Universidad de Stanford, dice que este trabajo produjo “resultados muy interesantes. El impacto práctico potencial de este trabajo podría ser significativo, ya que proporciona una estructura eficaz para la gestión de fotones para permitir células delgadas ".

Cui dice que dado que el gasto del material de silicio "contribuye significativamente al costo de las células solares, "Desarrollar células solares de silicio delgadas que aún puedan absorber fotones de manera eficiente" es importante para reducir el costo ".

La obra, que también involucró a los postdoctorados Sang Eon Han y Selcuk Yerci, contó con el apoyo del Programa Sunshot del Departamento de Energía de EE. UU. y de la National Science Foundation.

Esta historia se vuelve a publicar por cortesía de MIT News (web.mit.edu/newsoffice/), un sitio popular que cubre noticias sobre la investigación del MIT, innovación y docencia.