Lleno de polímeros orgánicos adecuados, el nanofilm de germanio altamente poroso se convierte en una célula solar híbrida. Debido a que la nanoestructura de germanio forma una estructura de ópalo inversa, el material brilla como el ópalo. Crédito:Andreas Battenberg / TUM
Usando un nuevo procedimiento, los investigadores de la Universidad Técnica de Munich (TUM) y la Universidad Ludwig Maximillians de Munich (LMU) ahora pueden producir extremadamente delgados y robustos, capas semiconductoras aún muy porosas. Un material muy prometedor, para pequeños, ligero, células solares flexibles, por ejemplo, o electrodos que mejoran el rendimiento de las baterías recargables.
El revestimiento de la oblea que el profesor Thomas Fässler, presidente de Química Inorgánica con enfoque en Materiales Nuevos en TU Munich, sostiene en sus manos brilla como un ópalo. Y tiene propiedades asombrosas:es duro como un cristal, excepcionalmente delgado y, dado que es muy poroso, ligero como una pluma.
Al integrar polímeros orgánicos adecuados en los poros del material, los científicos pueden personalizar las propiedades eléctricas del material híbrido resultante. El diseño no solo ahorra espacio, también crea grandes superficies de interfaz que mejoran la eficacia general.
"Puede imaginarse nuestra materia prima como un andamio poroso con una estructura similar a un panal. Las paredes comprenden materiales inorgánicos, germanio semiconductor, que puede producir y almacenar cargas eléctricas. Dado que las paredes en forma de panal son extremadamente delgadas, las cargas pueden fluir por caminos cortos, "explica Fässler.
El nuevo diseño:de abajo hacia arriba en lugar de de arriba hacia abajo
Pero, para transformar frágiles, germanio duro en una capa flexible y porosa, los investigadores tuvieron que aplicar algunos trucos. Tradicionalmente, Los procesos de grabado se utilizan para estructurar la superficie del germanio. Sin embargo, este enfoque de arriba hacia abajo es difícil de controlar a nivel atómico. El nuevo procedimiento resuelve este problema.
Junto con su equipo, Fässler estableció una metodología de síntesis para fabricar las estructuras deseadas de manera muy precisa y reproducible. La materia prima es el germanio con átomos dispuestos en grupos de nueve. Dado que estos grupos están cargados eléctricamente, se repelen mientras se disuelvan. La malla solo tiene lugar cuando se evapora el disolvente.
Una imagen microscópica electrónica de la estructura de germanio después de la eliminación de las plantillas de polímero. El material forma una estructura de ópalo inverso, que se puede rellenar con polímeros adecuados para crear células solares híbridas. Crédito:Katia Rodewald / TUM
Esto se puede lograr fácilmente aplicando calor a 500 ° C o se puede inducir químicamente, añadiendo cloruro de germanio, por ejemplo. Mediante el uso de otros cloruros como el cloruro de fósforo, las estructuras de germanio se pueden dopar fácilmente. Esto permite a los investigadores ajustar directamente las propiedades de los nanomateriales resultantes de una manera muy específica.
Diminutas perlas sintéticas como nanomoldes
Para dar a los racimos de germanio la estructura porosa deseada, La investigadora de LMU, Dra. Dina Fattakhova-Rohlfing, ha desarrollado una metodología para permitir la nanoestructuración:diminutas perlas de polímero forman plantillas tridimensionales en un paso inicial.
En el siguiente paso, la solución de racimo de germanio llena los espacios entre las perlas. Tan pronto como se hayan formado redes estables de germanio en la superficie de las pequeñas perlas, las plantillas se eliminan aplicando calor. Lo que queda es la nanofilm altamente porosa.
Las perlas de polímero desplegadas tienen un diámetro de 50 a 200 nanómetros y forman una estructura de ópalo. El andamio de germanio que emerge en la superficie actúa como un molde negativo:se forma una estructura de ópalo inverso. Por lo tanto, las nanocapas brillan como un ópalo.
"El germanio poroso solo tiene propiedades ópticas y eléctricas únicas de las que muchas aplicaciones relevantes para la energía pueden beneficiarse, "dice la Dra. Dina Fattakhova-Rohlfing, investigadora de LMU, OMS, en colaboración con Fässler, desarrollado el material. "Más allá de eso, podemos llenar los poros con una amplia variedad de materiales funcionales, creando así una amplia gama de nuevos materiales híbridos ".
Las nanocapas allanan el camino hacia las soluciones fotovoltaicas portátiles
"Cuando se combina con polímeros, Las estructuras porosas de germanio son adecuadas para el desarrollo de una nueva generación de estables, células solares extremadamente ligeras y flexibles que pueden cargar teléfonos móviles, cámaras y portátiles mientras viaja, "explica el físico Peter Müller-Buschbaum, profesor de materiales funcionales en TU Munich.
Los fabricantes de todo el mundo están buscando materiales ligeros y robustos para usar en células solares portátiles. Hasta la fecha han utilizado principalmente compuestos orgánicos, que son sensibles y tienen una vida relativamente corta. El calor y la luz descomponen los polímeros y degradan el rendimiento. Aquí, las delgadas pero robustas capas híbridas de germanio proporcionan una alternativa real.
Nanocapas para nuevos sistemas de baterías
Próximo, los investigadores quieren utilizar la nueva tecnología para fabricar capas de silicio altamente porosas. Actualmente, las capas se están probando como ánodos para baterías recargables. Posiblemente podrían reemplazar las capas de grafito que se utilizan actualmente en las baterías para mejorar su capacidad.
