Una celda solar es básicamente un semiconductor, que convierte la luz solar en electricidad, intercalado entre contactos de metal que llevan la corriente eléctrica.

Pero este diseño ampliamente utilizado tiene un defecto:el metal brillante en la parte superior de la celda en realidad refleja la luz solar lejos del semiconductor donde se produce la electricidad. reduciendo la eficiencia de la celda.

Ahora, Los científicos de la Universidad de Stanford han descubierto cómo ocultar el contacto superior reflectante y canalizar la luz directamente al semiconductor que se encuentra debajo. Sus hallazgos, publicado en la revista ACS Nano , podría conducir a un nuevo paradigma en el diseño y fabricación de células solares.

"Utilizando la nanotecnología, Hemos desarrollado una forma novedosa de hacer que el contacto superior del metal sea casi invisible para la luz entrante. "dijo el autor principal del estudio, Vijay Narasimhan, quien realizó el trabajo como estudiante de posgrado en Stanford. "Nuestra nueva técnica podría mejorar significativamente la eficiencia y, por lo tanto, reducir el costo de las células solares".

Metal similar a un espejo

En la mayoría de las células solares, el contacto superior consiste en una rejilla de alambre de metal que transporta electricidad hacia o desde el dispositivo. Pero estos cables también evitan que la luz solar llegue al semiconductor, que generalmente está hecho de silicio.

"Cuanto más metal tenga en la superficie, cuanta más luz bloqueas, "dijo el coautor del estudio, Yi Cui, profesor asociado de ciencia e ingeniería de materiales. "Esa luz se pierde y no se puede convertir en electricidad".

Contactos de metal, por lo tanto, "enfrentan un compromiso aparentemente irreconciliable entre la conductividad eléctrica y la transparencia óptica, ", Añadió Narasimhan." Pero la nanoestructura que creamos elimina esa compensación ".

Para el estudio, el equipo de Stanford colocó una película de oro de 16 nanómetros de espesor sobre una hoja plana de silicio. La película de oro estaba plagada de una serie de agujeros cuadrados nanométricos, pero a la vista, la superficie parecía brillante, espejo de oro.

El análisis óptico reveló que la película de oro perforada cubría el 65 por ciento de la superficie de silicio y reflejaba, de media, 50 por ciento de la luz entrante. Los científicos razonaron que si podían ocultar de alguna manera la película de oro reflectante, más luz llegaría al semiconductor de silicio de abajo.

Nanopilares de silicio

La solución:crear pilares de silicio de tamaño nanométrico que se "eleven" sobre la película de oro y redirijan la luz solar antes de que llegue a la superficie metálica.

La creación de nanopilares de silicio resultó ser un proceso químico de un solo paso.

"Sumergimos el silicio y la película de oro perforada juntos en una solución de ácido fluorhídrico y peróxido de hidrógeno, ", dijo el estudiante de posgrado y coautor del estudio Thomas Hymel." La película de oro comenzó a hundirse inmediatamente en el sustrato de silicio, y empezaron a aparecer nanopilares de silicio a través de los agujeros de la película ".

En segundos, los pilares de silicio crecieron a una altura de 330 nanómetros, transformando la superficie dorada brillante en un rojo oscuro. Este dramático cambio de color fue una clara indicación de que el metal ya no reflejaba la luz.

"Tan pronto como comenzaron a surgir los nanopilares de silicio, Comenzaron a canalizar la luz alrededor de la rejilla de metal y hacia el sustrato de silicio debajo, "Explicó Narasimhan.

Él comparó la matriz de nanopilares con un colador en el fregadero de su cocina. "Cuando abres el grifo, no toda el agua pasa por los orificios del colador, ", dijo." Pero si pusieras un pequeño embudo en la parte superior de cada agujero, la mayor parte del agua fluiría directamente sin problemas. Eso es esencialmente lo que hace nuestra estructura:los nanopilares actúan como embudos que capturan la luz y la guían hacia el sustrato de silicio a través de los orificios de la rejilla metálica ".

Gran impulso

Luego, el equipo de investigación optimizó el diseño a través de una serie de simulaciones y experimentos.

"Las células solares suelen estar sombreadas por cables metálicos que cubren del 5 al 10 por ciento de la superficie superior, ", Dijo Narasimhan." Con nuestro mejor diseño, casi dos tercios de la superficie se pueden cubrir con metal, sin embargo, la pérdida por reflexión es solo del 3 por ciento. Tener tanto metal podría aumentar la conductividad y hacer que la celda sea mucho más eficiente para convertir la luz en electricidad ".

Por ejemplo, esta tecnología podría aumentar la eficiencia de una celda solar convencional del 20 al 22 por ciento, un aumento significativo, él dijo.

El equipo de investigación planea probar el diseño en una celda solar en funcionamiento y evaluar su rendimiento en condiciones del mundo real.

Contactos encubiertos

Además del oro, la arquitectura de nanopilares también funcionará con contactos de plata, platino, níquel y otros metales, dijo la estudiante de posgrado y coautora Ruby Lai.

"Los llamamos contactos encubiertos, porque el metal se esconde en las sombras de los nanopilares de silicio, "dijo." No importa qué tipo de metal pongas allí. Será casi invisible a la luz entrante ".

Además del silicio, esta nueva tecnología se puede utilizar con otros materiales semiconductores para una variedad de aplicaciones, incluyendo fotosensores, diodos emisores de luz y pantallas, baterías transparentes, así como células solares.

"Con la mayoría de los dispositivos optoelectrónicos, normalmente construye el semiconductor y los contactos metálicos por separado, "dijo Cui, codirector del Consorcio Fotovoltaico del Área de la Bahía del Departamento de Energía (BAPVC). "Nuestros resultados sugieren un nuevo paradigma en el que estos componentes se diseñan y fabrican juntos para crear una interfaz de alto rendimiento".