Las microscopías electrónicas de barrido (SEM) muestran con qué regularidad se disponen los embudos grabados en un sustrato de silicio (izquierda:segmento de línea =5 micrones; derecha:1 micrón). Los embudos miden unos 800 nanómetros de diámetro en la parte superior y descienden hasta unos cien nanómetros en la punta. Crédito:S. Schmitt / MPL
La fovea centralis, o fóvea para abreviar, se encuentra en el medio de la mácula lútea (o mácula) de la retina, donde el esbelto, Los conos oculares en forma de embudo están especialmente empaquetados. Vemos una imagen con mayor agudeza en esta pequeña región porque cada cono está conectado a una célula nerviosa.
Esta disposición de conos muy compacta ha inspirado al equipo encabezado por la profesora Silke Christiansen a replicar algo similar en el silicio como superficie para las células solares e investigar su idoneidad para recolectar y conducir la luz. Christiansen dirige el Instituto de Nanoarquitecturas para la Conversión de Energía en Helmholtz-Zentrum Berlin (HZB) y un equipo de investigación en el Instituto Max Planck para la Ciencia de la Luz (MPL).
"Hemos demostrado en este trabajo que los embudos de luz absorben considerablemente más luz que otras arquitecturas ópticas probadas en el último tiempo", dice Sebastian Schmitt, uno de los dos primeros autores de la publicación que ha aparecido en la reconocida revista Nature Informes científicos .
¡Pequeño cambio, gran efecto!
Los investigadores se sorprendieron de cuán grande era el efecto de esta arquitectura, sin embargo. Se sabía por estudios anteriores que las disposiciones de cilindros verticales muy delgados (una "alfombra" de nanocables de silicio) absorben bien la luz. Pero incluso las pequeñas desviaciones en la forma de los cilindros hasta la forma de un embudo aumentaban la absorción. En comparación con la alfombra de nanocables que se ha investigado durante algún tiempo, los campos de embudo claramente funcionan mejor.
La simulación muestra cómo la concentración de luz (rojo =alta concentración, amarillo =baja concentración) sube en los embudos con un diámetro decreciente del extremo inferior del embudo. Crédito:G. Shalev, S. Schmitt / MPL
Sin embargo, la fabricación de embudos de luz no requiere un esfuerzo especial y es factible con procesos de semiconductores convencionales, como el grabado con iones reactivos o el grabado químico húmedo. por ejemplo. En comparación con una película de silicona del mismo grosor, una capa de los embudos de luz aumenta la absorción de la luz solar aproximadamente en un 65%.
"Nuestro modelo nos permitió también proporcionar una explicación de por qué las matrices de embudos de luz atrapan la luz considerablemente mejor que una alfombra de nanocables (como se muestra en nuestros cálculos en esta publicación). Los modos ópticos en los nanocables interfieren mutuamente entre sí. Por lo tanto, los nanocables en matriz absorben la luz de manera menos eficiente que un número idéntico de nanocables individuales. Todo lo contrario ocurre con los embudos de luz:los embudos de luz inmediatamente contiguos fortalecen mutuamente la absorción de los demás ", explica Schmitt
Una mirada al futuro
"Tras este interesante resultado inicial, estamos avanzando en varias direcciones ", dice Christiansen. Ella y su equipo están trabajando más en la mejora de las células solares de película delgada basadas en silicio y quieren construir los embudos en diseños de células robustos que puedan realizarse económicamente en grandes superficies. Podrán acceder a la experiencia en el Centro de competencia Thin-Film- and Nanotechnology for Photovoltaics Berlin (PVcomB) de HZB, donde la división dirigida por el profesor Rutger Schlatmann se ha especializado en escalar patrones desarrollados en el laboratorio y puede implementar de manera rápida y eficiente estudios de viabilidad para células solares de gran superficie. "Esperamos que vuelva a tener noticias de nuestra colaboración pronto sobre una celda solar de embudo de 30 cm x 30 cm. Sebastian Schmitt también está trabajando en el uso de embudos para otras aplicaciones fotónicas en LED y componentes de sensores, aunque. Los primeros estudios piloto son tan prometedores que estamos seguros de que estas aplicaciones no tendrán que seguir siendo el material de los sueños ", Ofrece Christiansen.
