Usar partículas exóticas llamadas puntos cuánticos como base para una célula fotovoltaica no es una idea nueva, pero los intentos de fabricar tales dispositivos aún no han logrado una eficiencia suficientemente alta para convertir la luz solar en energía. Una nueva arruga agregada por un equipo de investigadores del MIT, incrustando los puntos cuánticos dentro de un bosque de nanocables, promete proporcionar un impulso significativo.

La energía fotovoltaica (PV) basada en pequeños puntos cuánticos coloidales tiene varias ventajas potenciales sobre otros enfoques para hacer células solares:se pueden fabricar en un proceso a temperatura ambiente, ahorrando energía y evitando complicaciones asociadas con el procesamiento a alta temperatura de silicio y otros materiales fotovoltaicos. Se pueden hacer de abundantes, materiales económicos que no requieren una gran purificación, como lo hace el silicio. Y se pueden aplicar a una variedad de materiales de sustrato económicos e incluso flexibles, como plásticos ligeros.

Pero hay una compensación en el diseño de estos dispositivos, debido a dos necesidades contradictorias para una energía fotovoltaica efectiva:la capa absorbente de una celda solar debe ser delgada para permitir que las cargas pasen fácilmente desde los sitios donde se absorbe la energía solar a los cables que transportan la corriente, pero también debe ser lo suficientemente gruesa para absorber la luz de manera eficiente. La mejora del rendimiento en una de estas áreas tiende a empeorar la otra, dice Joel Jean, estudiante de doctorado en el Departamento de Ingeniería Eléctrica e Informática (EECS) del MIT.

"Quieres una película gruesa para absorber la luz, y quieres que sea delgado para sacar los cargos, ", dice." Así que hay una gran discrepancia ".

Ahí es donde la adición de nanocables de óxido de zinc puede desempeñar un papel útil, dice Jean, quién es el autor principal de un artículo que se publicará en la revista Materiales avanzados . El artículo es coautor del profesor de química Moungi Bawendi, la profesora de ciencia e ingeniería de materiales Silvija Gradečak, Vladimir Bulović, profesor de EECS, y otros tres estudiantes de posgrado y un posdoctorado.

Estos nanocables son lo suficientemente conductores para extraer cargas fácilmente, pero lo suficientemente largo para proporcionar la profundidad necesaria para la absorción de la luz, Dice Jean. El uso de un proceso de crecimiento de abajo hacia arriba para hacer crecer estos nanocables e infiltrarlos con puntos cuánticos de sulfuro de plomo produce un aumento del 50 por ciento en la corriente generada por la célula solar, y un aumento del 35 por ciento en la eficiencia general, Dice Jean. El proceso produce una matriz vertical de estos nanocables, que son transparentes a la luz visible, intercalados con puntos cuánticos.

"Si ilumina la longitud de los nanocables, obtienes la ventaja de la profundidad, ", dice. Pero también, "desacopla la absorción de luz y la extracción del portador de carga, ya que los electrones pueden saltar de lado a un nanoalambre cercano y ser recogidos ".

Una ventaja de los PV basados ​​en puntos cuánticos es que se pueden ajustar para absorber la luz en un rango mucho más amplio de longitudes de onda que los dispositivos convencionales. Dice Jean. Esta es una demostración temprana de un principio que, mediante una mayor optimización y una mejor comprensión física, podría conducir a prácticas, nuevos tipos económicos de dispositivos fotovoltaicos, él dice.

Ya, los dispositivos de prueba han producido eficiencias de casi el 5 por ciento, entre los más altos jamás reportados para un PV de punto cuántico basado en óxido de zinc, él dice. Con un mayor desarrollo, Jean dice, puede ser posible mejorar la eficiencia general de los dispositivos más allá del 10 por ciento, que es ampliamente aceptado como la eficiencia mínima para una célula solar comercialmente viable. La investigación adicional entre otras cosas, explorar el uso de nanocables más largos para hacer películas más gruesas, y también trabajar para controlar mejor el espaciado de los nanocables para mejorar la infiltración de puntos cuánticos entre ellos.

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.