Los investigadores de ETH han desarrollado un modelo completo para explicar cómo fluyen los electrones dentro de nuevos tipos de células solares hechas de cristales diminutos. El modelo permite una mejor comprensión de dichas células y puede ayudar a aumentar su eficiencia.

Los científicos se están centrando en cristales de tamaño nanométrico para la próxima generación de células solares. Estos nanocristales tienen excelentes propiedades ópticas. En comparación con el silicio de las células solares actuales, Los nanocristales pueden diseñarse para absorber una fracción mayor del espectro de luz solar. Sin embargo, el desarrollo de células solares basadas en nanocristales es un desafío:"Estas células solares contienen capas de muchos cristales individuales de tamaño nanométrico, unidos por un pegamento molecular. Dentro de este compuesto de nanocristales, los electrones no fluyen tan bien como se necesita para aplicaciones comerciales, "explica Vanessa Wood, Catedrático de Ingeniería de Materiales y Dispositivos en ETH Zurich. Hasta ahora, No se entendía la física del transporte de electrones en este complejo sistema de materiales, por lo que era imposible diseñar sistemáticamente mejores compuestos de nanocristales.

Wood y sus colegas llevaron a cabo un extenso estudio de células solares de nanocristales, que fabricaron y caracterizaron en sus laboratorios en ETH Zurich. Pudieron describir el transporte de electrones en este tipo de células a través de un modelo físico de aplicación general por primera vez. "Nuestro modelo es capaz de explicar el impacto de cambiar el tamaño de los nanocristales, material de nanocristales, o moléculas aglutinantes en el transporte de electrones, ", dice Wood. El modelo proporcionará a los científicos en el campo de la investigación una mejor comprensión de los procesos físicos dentro de las células solares de nanocristales y les permitirá mejorar la eficiencia de las células solares.

Perspectiva prometedora gracias a los efectos cuánticos

La razón del entusiasmo de muchos investigadores de células solares por los cristales diminutos es que en pequeñas dimensiones entran en juego efectos de la física cuántica que no se observan en los semiconductores a granel. Un ejemplo es que las propiedades físicas de los nanocristales dependen de su tamaño. Y como los científicos pueden controlar fácilmente el tamaño de los nanocristales en el proceso de fabricación, también pueden influir en las propiedades de los semiconductores de nanocristales y optimizarlos para las células solares.

Una de esas propiedades que puede verse influenciada por el cambio de tamaño de los nanocristales es la cantidad de espectro solar que pueden ser absorbidos por los nanocristales y convertidos en electricidad por la célula solar. Los semiconductores no absorben todo el espectro de la luz solar, sino solo radiación por debajo de una cierta longitud de onda, o, en otras palabras, con una energía mayor que la denominada energía de banda prohibida del semiconductor. En la mayoría de los semiconductores, este umbral solo se puede cambiar cambiando el material. Sin embargo, para compuestos de nanocristales, el umbral se puede cambiar simplemente cambiando el tamaño de los cristales individuales. Por lo tanto, los científicos pueden seleccionar el tamaño de los nanocristales de tal manera que absorban la máxima cantidad de luz de una amplia gama del espectro de la luz solar.

Una ventaja adicional de los semiconductores de nanocristales es que absorben mucha más luz solar que los semiconductores tradicionales. Por ejemplo, el coeficiente de absorción de los nanocristales de sulfuro de plomo, utilizado por los investigadores de ETH en su trabajo experimental, es varios órdenes de magnitud mayor que la de los semiconductores de silicio, utilizado tradicionalmente como células solares. Por lo tanto, una cantidad relativamente pequeña de material es suficiente para la producción de células solares de nanocristales, lo que permite hacer muy delgados, células solares flexibles.

Necesidad de mayor eficiencia

El nuevo modelo presentado por los investigadores de la ETH responde a una serie de preguntas no resueltas anteriormente relacionadas con el transporte de electrones en compuestos de nanocristales. Por ejemplo, hasta ahora, no existía evidencia experimental para demostrar que la energía de la banda prohibida de un compuesto de nanocristales depende directamente de la energía de la banda prohibida de los nanocristales individuales. "Por primera vez, hemos demostrado experimentalmente que este es el caso, "dice Wood.

En los últimos cinco años, Los científicos han logrado aumentar en gran medida la eficiencia de las células solares de nanocristales, sin embargo, incluso en las mejores de estas células solares, solo el 9 por ciento de la luz solar incidente en la célula se convierte en energía eléctrica. "Para que comencemos a considerar aplicaciones comerciales, necesitamos lograr una eficiencia de al menos el 15 por ciento, "explica Wood. El trabajo de su grupo acerca a los investigadores un paso más hacia la mejora del transporte de electrones y la eficiencia de las células solares.