27/03/2013 - Nanomateriales para el diseño de células solares de bajo coste

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La utilización de puntos cuánticos en el diseño y desarrollo de células fotovoltaicas no es una idea nueva. Hasta la fecha no se ha logrado que estos nuevos dispositivos funcionen con niveles elevados de eficiencia en su proceso de conversión de luz solar en energía eléctrica.

Ahora, se espera que gracias a un nuevo diseño realizado por investigadores del MIT (Massachusetts Institute of Technology), con la incrustación de estos puntos cuánticos en un haz de nanocables, esta tecnología de el salto definitivo.

El modelo de células fotovoltaicas basadas en la utilización de diminutos puntos cuánticos coloidales tienen varias ventajas potenciales , una de las principales es que se pueden fabricar en un proceso a temperatura ambiente, ahorrando energía y evitar complicaciones asociadas con procesamiento a alta temperatura de silicio y otros materiales fotovoltaicos, y también se pueden fabricar a partir de materiales abundantes, baratos que no requieren una extensa purificación, como es necesario con el silicio.

Este sistema también tiene sus desventajas, contradictorias entre si pero características de las células solares. Por un lado la capa de absorción de una célula solar tiene que ser lo suficientemente delgada como para permitir fácilmente el paso de la energía desde la zona de radiación y adsorción solar a los conductores que transportan esta energía al exterior, y por otro también tiene que ser lo suficientemente gruesa como para absorber la luz de manera eficiente.

Según indica Joel Jean, autor principal de un artículo que será publicado en la revista Advanced Materials y estudiante de doctorado en el MIT del Departamento de Ingeniería Eléctrica y Ciencias de la Computación (EECS), la mejora del rendimiento en una de estas áreas implica una reducción de la eficiencia en la otra. Esto plantea una gran discrepancia, "si quieres tener al mismo tiempo una película gruesa para absorber la luz, y quieres que fina para conseguir carga."

Nanocables de óxido de Zinc

Ahí es donde la adición de nanocables de óxido de zinc puede jugar un papel útil. Estos nanocables son conductores que permiten extraer estas cargas con facilidad, y al mismo tiempo proporcionan la profundidad necesaria para la absorción de la luz, dice Jean.

El uso de un proceso de crecimiento de abajo hacia arriba para crear estos nanocables y la infiltración con puntos cuánticos de sulfuro de plomo, produce un aumento del 50 por ciento en la corriente generada por la célula solar, y un aumento del 35 por ciento en la eficiencia general, Jean dice. Gracias a este proceso se produce un haz vertical de nanocables, que son transparentes a la luz visible, intercalados con los puntos cuánticos.

"Si el brillo luminoso en el nanocable se produce en su dirección longuitudinal, se obtiene la ventaja de profundidad", y también se consigue separar la absorción de la luz y la extracción de la carga.

Una ventaja de este sistema fotovoltaico es que se puede conseguir absorber la luz en una gama mucho más amplia de longitudes de onda que los dispositivos convencionales, esto permitirá desarrollar nuevos dispositivos fotovoltaicos de bajo coste.

Imágenes de microscopio electrónicoque muestran un conjunto de nanocables de óxido de zinc-(parte superior) y una sección transversal de una célula fotovoltaica a partir de los hilos nano, intercalados con los puntos cuánticos hechos de sulfuro de plomo (áreas oscuras). Una capa de oro en la (banda de luz) superior y una capa de indio-estaño-óxido en la parte inferior (zona más clara) forman los dos electrodos de la célula solar.

Imágenes cortesía deJean, et al / Advanced Materials (MIT)

Primeros ensayos

Mark Thompson, profesor de química en la Universidad del Sur de California, que no participó en esta investigación, dice: "El equipo del MIT ha hecho un avance real." Aunque otros grupos han intentado un enfoque similar, dice, el equipo del MIT fue capaz de lograr un mejor control de las dimensiones de los nanocables y su densidad”. El Thompson cree que a medida que siga mejorando en su diseño se verán mejoras notables en su eficiencia.

En este momento, los dispositivos de prueba que se han desarrollado han logrado rendimientos de casi el 5 por ciento, que son los más elevados conseguidos hasta la fecha para sistemas PV de puntos cuánticos basados ​​en óxido de zinc, dice. Con un desarrollo más eficiente de este modelo es posible mejorar su eficiencia por encima del 10 por ciento, umbral mínimo de eficiencia para una célula solar sea rentable comercialmente.

En este proceso de investigación será necesario analizar la utilización de nanocables de mayor longitud y definir la separación optima entre nanocables que permita mejorar la infiltración de puntos cuánticos entre ellos.

 

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Referencias.

Joel Jean, autor principal es estudiante de doctorado en el MIT del Departamento de Ingeniería Eléctrica y Ciencias de la Computación (EECS). El documento está co-escrito por el profesor de química Moungi Bawendi,  la profesora Silvija Gradečak, EECS profesor Vladimir Bulovic, y tres estudiantes de postgrado y postdoctorado

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