(Phys.org) —Los investigadores han demostrado cómo aumentar la eficiencia de las células solares de película delgada, una tecnología que podría traer energía solar de bajo costo. El enfoque utiliza "cristales fotónicos" tridimensionales para absorber más luz solar que las células de película delgada convencionales.

Los cristales sintéticos poseen una estructura llamada "ópalo inverso" para hacer uso y mejorar las propiedades que se encuentran en las piedras preciosas para reflejar, difracta y dobla la luz solar entrante.

"Generalmente, en las células solares de silicio de película fina, gran parte de la luz solar vuelve a salir, pero usando nuestro enfoque, la luz entra y se difracta, haciendo que se propague en una ruta paralela dentro de la película, "dijo Peter Bermel, profesor asistente en la Escuela de Ingeniería Eléctrica e Informática de la Universidad de Purdue y en el Centro de Nanotecnología Birck.

En comparación con las células solares hechas de obleas de silicio, el costo se reduce 100 veces para las películas delgadas. Sin embargo, son menos eficientes.

"La pregunta es, ¿Podemos compensar esa menor eficiencia mediante la introducción de nuevos enfoques para la captura de luz para las células solares de película delgada? ", Dijo Bermel." ¿Podemos combinar bajo costo y alto rendimiento? "

Los investigadores son los primeros en demostrar la incorporación de los cristales fotónicos 3-D para aumentar la captura de luz en las células solares de silicio cristalino. Los hallazgos experimentales indican aproximadamente un aumento del 10 por ciento en la eficiencia sobre las películas delgadas de silicio convencionales, con mayor potencial de mejora.

La tecnología es mejor para absorber y recolectar la luz del infrarrojo cercano.

"Una de las principales razones por las que las células solares de silicio de película delgada tienen una menor eficiencia es que no absorben la luz del infrarrojo cercano de manera muy eficaz, "La luz en el rango del infrarrojo cercano es importante", dijo Bermel. "La luz en el rango del infrarrojo cercano es importante porque hay mucha energía solar en ese rango de longitud de onda y también porque el silicio puede convertir la luz del infrarrojo cercano en energía si puede absorberla". pero las películas delgadas no lo absorben por completo ".

Los hallazgos se detallaron en un artículo de investigación que apareció en octubre en la revista científica revisada por pares. Materiales ópticos avanzados .

El artículo fue escrito por el estudiante de doctorado Leo T. Varghese, quien se ha graduado; el profesor de investigación Yi Xuan; el estudiante de doctorado Ben Niu; ex estudiante de doctorado Li Fan, quien también se ha graduado; Bermel; y Minghao Qi, profesor asociado de ingeniería eléctrica e informática.

Los investigadores crearon ópalos inversos utilizando un proceso llamado autoensamblaje impulsado por meniscos.

"Puede hacerlos según un pedido o diseño personalizados, y decidimos fabricarlos para células solares con el fin de mejorar la absorción de la luz, "Dijo Qi.

El silicio ha sido durante muchos años el material dominante utilizado en las células solares. Sin embargo, Las células solares hechas de gruesas obleas de silicio monocristalino son demasiado caras para ser prácticas para una aplicación generalizada. Esta limitación ha impulsado la innovación reciente en células solares de silicio multicristalinas y de película delgada.

"Nuestra premisa es utilizar sólo el 1 por ciento de material como una oblea de silicio utilizando estas finas películas de silicio cristalino, "Dijo Qi.

Las aplicaciones de las células solares de película delgada incluyen la generación de electricidad para los servicios públicos y el hogar, así como aplicaciones a menor escala como la carga móvil de dispositivos electrónicos.

Los ópalos naturales crean patrones de arco iris causados ​​cuando se difractan diferentes longitudes de onda de luz en diferentes ángulos. Los ópalos están hechos de esferas sólidas de sílice en una matriz de algún otro material. Las nuevas estructuras sintéticas se denominan ópalos inversos porque consisten en esferas huecas de aire rodeadas de silicio.

Los investigadores primero construyen una estructura de ópalo estándar. Las esferas se colocan en una solución, que se evapora, dejando la estructura autoensamblada.

"A medida que se evapora, las esferas se apilan sobre el sustrato justo en el menisco, la interfaz entre el líquido y el aire, "Dijo Varghese.

Los fabricantes ahora aumentan la absorción de luz grabando o depositando texturas aleatorias en las películas delgadas.

"Creemos que es mejor combinar tanto la aleatoriedad texturizada como la estructura ordenada, ", Dijo Bermel." La textura ayuda bien con algunas longitudes de onda y la estructura ordenada ayudará con otras ".