Celdas solares ultra-delgadas, a la vuelta de la esquina



Científicos de la universidad de Stanford han creado la capa de absorción de luz visible más delgada y eficiente de la historia. La estructura de tamaño nanométrico, miles de veces más delgada que una hoja de papel común, puede reducir el costo y mejorar la eficiencia de las celdas solares; los resultados fueron publicados en la edición en línea de la revista Nano Letters.

¿Qué beneficios podría tener esta tecnología?


Bueno como lo dice Stacey Bent, profesora de ingeniería química en Stanford y miembro del equipo de investigación, “El conseguir que se absorba completamente la luz visible en una superficie mínima de materia es altamente deseable, pues sus aplicaciones son diversas, incluyendo la conversión de energía solar en combustible y electricidad. Nuestros resultados muestran que es posible que una capa muy delgada de material absorba casi el 100 por ciento de la luz incidente de una longitud de onda específica".

La absorción de la luz solar en estas delgadas celdas mejora la eficiencia de la conversión de la energía del sol a eléctrica  y su proceso de su fabricación, puesto que requieren menos material y por tanto su costo de producción es menor. 

El reto de los investigadores era reducir el espesor de la célula sin comprometer su capacidad de absorber y convertir la luz solar en energía renovable. Para ello, el equipo de Stanford creó láminas delgadas salpicadas de miles de millones de partículas esféricas de oro. Cada nanopunto de oro era de 14 nanómetros de altura por 17 nanómetros de ancho.

¿Algo tan pequeño podría absorber toda la luz, desde la luz azul a la luz roja?


Una celda solar ideal es capaz de absorber todo el espectro de luz visible, desde las ondas de 400 nanómetros de longitud de luz violeta hasta las ondas de 700 nanómetros de longitud de luz roja, así como la luz ultravioleta e infrarroja invisible.

En el experimento, el Doctor Carl Hagglund y sus colegas, fueron capaces de sintonizar los nanopuntos de oro para absorber las ondas de luz de color naraja-rojizo de aproximadamente 600 nanómetros de longitud.

¿Cómo lograron eso? Hagglund explica que, al igual que las cuerdas de una guitarra que pueden ser afinadas para tener la nota deseada, “las partículas metálicas tienen una frecuencia de resonancia que puede ser ajustada para absorber una determinada longitud de onda de luz", por lo que al fabricar las láminas llenas de nanopuntos de oro, usaron una técnica llamada litografía copolímero de bloques, que permite formar complejas y fascinantes nanoestructuras con una amplísima variedad de propiedades mecánicas, ópticas y eléctricas, y que además permite hacer arreglos de ‘puntos’ metálicos para el almacenamiento de alta densidad de información o arreglos de ‘puntos’ cuánticos para la fabricación de rayos láser.

Las láminas fabricadas contienen alrededor de 520 mil millones nanopuntos por pulgada cuadrada. Bajo el microscopio, la disposición hexagonal de las partículas es similar a un panal de abejas.

Fotografía por Carl Hagglund
Pero además, el equipo de Hagglund, añadió en la parte superior de la lámina, varias capas delgadas bajo un proceso llamado deposición atómica de capas, el cual controla el crecimiento de películas delgadas a nivel atómico y que permitió ajustar el sistema a las condiciones óptimas para la absorción de la luz, aspecto novedoso en este tipo de trabajos.

Se rompió el récord


Los resultados sorprendieron a los investigadores, ya que las láminas cubiertas absorben el 99% de la luz de color naranja-rojizo; además, los científicos lograron el 93% de absorción en los nanopuntos de oro. El volumen de cada punto es equivalente a una capa de oro de sólo 1,6 nanómetros de espesor, por lo que es el absorbente más delgado de luz de la historia. Cerca de 1.000 veces más fino que la película más delgada disponible en el mercado de paneles solares y tres veces más delgada que la lamina que ostentaba el record anterior.

El siguiente paso para el equipo de Stanford es demostrar que la tecnología puede ser utilizada en celdas solares reales.

En el experimento, los investigadores aplicaron tres tipos de recubrimientos: sulfuro de estaño, óxido de zinc y óxido de aluminio, en diferentes nanopuntos. "Ninguno de estos recubrimientos son de absorción de luz, pero se ha demostrado teóricamente que si se aplica una capa semiconductora, puede cambiar las cualidades de absorción de partículas metálicas en los materiales semiconductores. Eso crearía portadores de cargas energéticas más longevos que podrían desembocar en procesos útiles, cómo obtener una corriente eléctrica o sintetizar combustible", dijo Hagglund.

Por último…


Bent, co-director del Centro en Nanoestructuración para la Conversión de Energía Eficiente (CNEEC), añadió que la meta final es el desarrollo de celdas solares mejoradas que utilicen la menor cantidad de material posible pero que absorban el total de la luz solar disponible.

Los científicos también están estudiando la posibilidad de fabricar nanopuntos de metales más baratos. "Elegimos el oro porque era químicamente más estable para nuestro experimento", dijo Hagglund. "Aunque el costo del oro es prácticamente insignificante para esta aplicación, la plata es más barata y mejor desde el punto de vista óptico".

Silvio Sánchez

Soy la fundadora de TodoSalud.co, una estudiante de enfermería apasionada con la salud y la comunicación. Puedes seguirme en youtube, donde subo videos sobre maternidad; tambien en Instagram y Facebook :)