Los científicos de la Universidad Tecnológica de Viena han logrado combinar dos materiales semiconductores, que consta de solo tres capas atómicas cada una. Esta nueva estructura es muy prometedora para un nuevo tipo de célula solar.

Extremadamente delgado semitransparente, Las células solares flexibles pronto podrían convertirse en realidad. En la Universidad Tecnológica de Viena, Thomas Mueller, Marco Furchi y Andreas Pospischil han logrado crear una estructura semiconductora que consta de dos capas ultrafinas, que parece ser excelente para la conversión de energía fotovoltaica

Hace varios meses, el equipo ya había producido una capa ultrafina del diselenuro de tungsteno cristal fotoactivo. Ahora, este semiconductor se ha combinado con éxito con otra capa hecha de bisulfuro de molibdeno, creando un material de diseño que pueda utilizarse en futuras células solares de bajo coste. Con este avance, los investigadores esperan establecer un nuevo tipo de tecnología de células solares.

Estructuras bidimensionales

Materiales ultrafinos, que constan solo de una o unas pocas capas atómicas son actualmente un tema candente en la ciencia de los materiales en la actualidad. La investigación sobre materiales bidimensionales comenzó con el grafeno, un material hecho de una sola capa de átomos de carbono. Como otros grupos de investigación de todo el mundo, Thomas Mueller y su equipo adquirieron los conocimientos necesarios para manejar, analizar y mejorar capas ultrafinas trabajando con grafeno. Este know-how ahora se ha aplicado a otros materiales ultrafinos.

"Muy a menudo, Los cristales bidimensionales tienen propiedades electrónicas completamente diferentes a las de las capas más gruesas del mismo material ", dice Thomas Mueller. Su equipo fue el primero en combinar dos capas semiconductoras ultrafinas diferentes y estudiar sus propiedades optoelectrónicas.

Dos capas con diferentes funciones

El diselenuro de tungsteno es un semiconductor que consta de tres capas atómicas. Una capa de tungsteno se intercala entre dos capas de átomos de selenio. "Ya habíamos podido demostrar que el diselenuro de tungsteno se puede utilizar para convertir la luz en energía eléctrica y viceversa", dice Thomas Mueller. Pero una celda solar hecha solo de diselenuro de tungsteno requeriría innumerables electrodos metálicos diminutos, muy espaciados a solo unos pocos micrómetros de distancia. Si el material se combina con bisulfuro de molibdeno, que también consta de tres capas atómicas, este problema se evita elegantemente. La heteroestructura ahora se puede utilizar para construir células solares de gran superficie.

Cuando la luz incide sobre un material fotoactivo, los electrones individuales se eliminan de su posición original. Queda un agujero con carga positiva, donde solía estar el electrón. Tanto el electrón como el agujero pueden moverse libremente en el material, pero solo contribuyen a la corriente eléctrica cuando se mantienen separados para que no puedan recombinarse.

Para evitar la recombinación de electrones y huecos, se pueden utilizar electrodos metálicos, a través del cual se succiona la carga, o se agrega un segundo material. "Los agujeros se mueven dentro de la capa de diselenuro de tungsteno, los electrones, por otra parte, migrar al disulfuro de molibdenio ", dice Thomas Mueller. Por lo tanto, se suprime la recombinación.

Esto solo es posible si las energías de los electrones en ambas capas se sintonizan exactamente de la manera correcta. En el experimento, esto se puede hacer usando campos electrostáticos. Florian Libisch y el profesor Joachim Burgdörfer (TU Viena) proporcionaron simulaciones por computadora para calcular cómo cambia la energía de los electrones en ambos materiales y qué voltaje conduce a un rendimiento óptimo de energía eléctrica.

Capas compactas

"Uno de los mayores desafíos fue apilar los dos materiales, creando una estructura atómicamente plana ", dice Thomas Mueller. "Si hay moléculas entre las dos capas, para que no haya contacto directo, la celda solar no funcionará ". esta hazaña se logró calentando ambas capas al vacío y apilándolas en la atmósfera ambiente. El agua entre las dos capas se eliminó calentando la estructura de la capa una vez más.

Parte de la luz entrante atraviesa el material. El resto se absorbe y se convierte en energía eléctrica. El material se puede utilizar para frentes de vidrio, dejando entrar la mayor parte de la luz, pero sigue creando electricidad. Como solo consta de unas pocas capas atómicas, es extremadamente ligero (300 metros cuadrados pesan solo un gramo), y muy flexible. Ahora el equipo está trabajando para apilar más de dos capas; esto reducirá la transparencia, pero aumente la potencia eléctrica.