En la búsqueda de hacer que la energía solar sea más competitiva, los investigadores están diseñando células solares ultrafinas que reducen los costes de material. Al mismo tiempo, mantienen la eficiencia de estas delgadas células esculpiendo sus superficies con nanoestructuras fotovoltaicas que se comportan como una sala molecular de espejos.

"Queremos asegurarnos de que la luz pase más tiempo de calidad dentro de una celda solar, "dijo Mark Brongersma, profesor de ciencia e ingeniería de materiales en Stanford y coautor de un artículo de revisión en Materiales de la naturaleza .

Brongersma y dos colegas de Stanford, el profesor asociado de ciencia e ingeniería de materiales Yi Cui y el profesor de ingeniería eléctrica Shanhui Fan, examinaron 109 artículos científicos recientes de equipos de todo el mundo.

Su descripción general gira en torno a un tema básico:observar las diferentes formas en que los investigadores están tratando de maximizar las colisiones entre fotones y electrones en las capas más delgadas posibles de materiales fotovoltaicos. El objetivo es revelar tendencias y mejores prácticas que ayudarán a impulsar desarrollos en el campo.

La energía solar se produce cuando los fotones de luz chocan con los electrones en un cristal fotovoltaico. A medida que los electrones sueltos se mueven a través del cristal, generan una corriente eléctrica.

Las células solares de hoy ya son delgadas. Están formados por capas de materiales fotovoltaicos, generalmente silicio, que promedian 150 a 300 micrómetros, que es aproximadamente el diámetro de dos o tres cabellos humanos.

A medida que los ingenieros continúan reduciendo esas dimensiones, tienen que desarrollar nuevas trampas moleculares y lazos para asegurarse de que los fotones no se limiten a pasar a través de sus células solares ultradelgadas antes de que puedan volar las chispas eléctricas.

"Gran parte del entusiasmo ahora se centra en el uso de los principios de la fotónica para gestionar las ondas de luz de la forma más eficiente. Fan dijo. "Quizás hay cientos de grupos en el mundo trabajando en esto".

El artículo de revisión proporciona una visión de alto nivel de cómo los científicos están tratando de diseñar estructuras para facilitar las interacciones entre los instigadores infinitesimales de la corriente solar, los fotones y los electrones.

La investigación se enfrenta a enormes desafíos al intentar diseñar nanoestructuras sintonizadas para captar la luz. La luz solar se compone de muchos colores. Cuando vemos el arco iris lo que vemos es el resultado de la humedad atmosférica que actúa como un prisma para doblar la luz en sus colores constituyentes. La creación de diferentes nanoestructuras para atrapar la olla de fotones al final de cada color del arco iris es parte de lo que trata esta investigación.

Sin embargo, los científicos ya están reportando cierto éxito

"Estamos viendo sistemas que usan una centésima parte de material fotovoltaico que las células solares de hoy en día, mientras obtienen entre el 60 y el 70 por ciento de la producción eléctrica, "Dijo Brongersma.

El material fotovoltaico más común es una forma refinada de silicio similar a la que se encuentra en los chips de computadora. Este material representa del 10 al 20 por ciento del costo de una celda solar. Por tanto, reducir esos gastos 100 veces tendría un efecto considerable en la rentabilidad global de la producción de energía solar.

Pero Cui dice que reducir los costos de materiales es solo una parte del impulso detrás de la energía solar ultradelgada. Otro beneficio es la flexibilidad. Debido al grosor de la capa de silicio que capta la luz, Las células solares actuales deben mantenerse rígidas para que no se dañe su red cristalina y se interrumpa el flujo de electrones.

"Pero con 10 micrómetros de espesor, el silicio tiene un alto grado de flexibilidad mecánica, "dijo Cui, citando una dimensión de menos de una décima parte del espesor de la capa fotovoltaica dentro de las células solares de hoy.

Cui, que ha hecho un material tan experimental, muestra una película en la que se agita esta delgada silicona como un trozo de papel y se corta con unas tijeras (ver videos separados; aleteo / arriba / y cortando / abajo /). Esas delgadas tiras de silicio incorporan algunas de las nanoestructuras que atrapan fotones descritas en el Materiales de la naturaleza artículo. Cui dice que la eficiencia de conversión de luz a energía del silicio delgado se acerca a la del silicio rígido en las células solares actuales.

Aletear el silicio no es solo un proyecto científico. Tal flexibilidad pagaría un dividendo en lo que respecta a la instalación, que representa aproximadamente un tercio del costo total de un panel solar en la azotea. "Estas delgadas células de silicio se pueden incrustar en plástico flexible, haciendo que la instalación sea como extender una alfombra, "Dijo Cui.

Sin embargo, incluso cuando los investigadores logran obtener más de menos, Quedan muchos obstáculos según Fan, quien desarrolla modelos de computadora para estudiar cómo diferentes nanoestructuras y materiales afectarán las interacciones fotón-electrón.

"Hay un número infinito de estructuras, por lo que no es posible modelarlos todos, " él dijo, en alusión a lo que llamó los "cuellos de botella teóricos" que impiden la comprensión científica de este reino etéreo donde la luz y la materia se cruzan.

"Por ejemplo, ahora, realmente no tenemos forma de saber cuándo hemos aprovechado al máximo nuestros fotones, "Dijo Fan.