Recientemente, un nuevo método para la fabricación de dispositivos de gran superficie de arseniuro de galio promete reducir los costes mediante la eliminación de pasos de fabricación y desperdiciando menos material. Los investigadores han utilizado el método para fabricar sensores de imagen de alto rendimiento, transistores y celdas solares. Semprius, una empresa con sede en Durham, Carolina del Norte, lo está utilizando para fabricar módulos solares que deberían llegar al mercado a finales de año.
Las células solares de arseniuro de galio convierten el doble de la energía presente en la luz del sol en electricidad en comparación con las células de silicio, señala John Rogers, profesor de ciencia e ingeniería de los materiales de Universidad de Illinois en Urbana-Champaign, quien dirigió la investigación. El arseniuro de galio también se encuentra en el punto de mira de los fabricantes de microchips como Intel como un reemplazo potencial para el silicio.
El problema con el arseniuro de galio, sin embargo, es su precio. Actualmente, para hacer un panel solar de arseniuro de galio, los fabricantes hacen crecer un cristal semiconductor en una cara plantilla en una cámara de alto vacío y alta temperatura. El arseniuro de galio es entonces cortado en pedazos finos, ensamblado, y enlazado. Este proceso destruye la plantilla subyacente, la cual es necesaria para crear un cristal de alta calidad. Además, haciendo sólo una única capa de arseniuro de galio en un mismo momento es ineficiente--toma más tiempo cargar y descargar la cámara de vacío del que toma hacer crecer el cristal.
Para abordar el problema, Rogers desarrolló un método para el cultivo de múltiples capas de dispositivos a la vez, y una manera de liberarlos del sustrato sin destruirlo. "Una vez que el sustrato se encuentra en la cámara a la temperatura adecuada, hacemos crecer una pila de múltiples capas", explica Rogers. La pila alte a una capa de dispositivo con una capa de sacrificio. Una vez todas las capas se han asentado, la pila se graba en un baño químico que se come la capa de sacrificio, hecha de arseniuro de aluminio, liberando las delgadas películas rectangulares de arseniuro de galio. A medida que las películas de arseniuro de galio son liberadas, se recogen y se colocan sobre un sustrato.
Estas películas, que son delgadas y flexibles, se pueden colocar sobre soportes flexibles como el plástico, y después empaquetadas para crear células solares, sensores de imagen, y matrices de transistores de alto rendimiento. El método y los dispositivos se describen esta semana en la revista Nature.
n"Muchos de los otros enfoques de bajo coste no producen dispositivos de alto rendimiento, pero en este caso se mantiene un gran rendimiento", señala Yi Cui, profesor de ciencia e ingeniería de los materiales de la Universidad de Stanford. "Además al final es flexible, algo que no se puede conseguir con el tratamiento convencional", añade él. Rogers desarrolló un método similar para la fabricación de dispositivos electrónicos flexibles de silicio de gran área hace unos años y adaptó la química para funcionar con el arseniuro de galio. Cui afirma que el último trabajo muestra que el método debería funcionar con cualquier material cristalino semiconductor, siempre y cuando se pueda encontrar la química adecuada para que el paso del grabado sólo afecte a la capa de sacrificio.
La técnica de múltiples capas "es bastante atractiva ya que hace que hace el proceso de alta escalabilidad y potencialmente rentable, por lo que podría convertir el uso de arseniuro de galio para la energía fotovoltaica a gran escala en una realidad", señala Ali Javey, profesor de ingeniería eléctrica e informática de la Universidad de Califo ia, Berkeley.
Semprius está utilizando el proceso para fabricar módulos solares concentrados de múltiples capas y a escala micro con eficiencias de hasta el 37 por ciento. Estos módulos deberían producir energía a un coste de alrededor de 2 a 3 dólares por vatio una vez instalados. Joe Carr, director general de la empresa, afirma que la planta piloto de Semprius estará en funcionamiento a finales de este año, momento en el que comenzarán a fabricar sus primeros productos. La empresa cuenta con financiación del Departamento de Energía de EE.UU. y con un acuerdo de desarrollo con Siemens.
Rogers afirma que persigue la energía solar como una aplicación inicial porque las ventas de energía fotovoltaica dependen mucho de los costes. Su grupo de investigación continuará desarrollando otros dispositivos, y también planea adaptar la técnica a otros materiales. Él espera también adaptar el método para el nitruro de galio, que funciona bien en el espectro visible y se puede utilizar para producir luz de estado sólido.