El silicio multicristalino, que hoy día es el estándar de oro dentro de la eficiencia de células solares, es caro y produce células de alto peso y quebradizas. Las células solares de silicio microscópicas de Sandia utilizan 100 veces menos material y operan con la misma eficiencia.
Además de un coste menor en los materiales, la escala inferior de estas células también significa que podrían incorporarse en sistemas ópticos compactos para así conseguir un seguimiento y concentración de la luz más económicos. Es posible que los investigadores incluso las suspendan en tintas que podrían ser impresas en plástico para crear módulos solares de silicio eficientes y flexibles.
“Con los microsistemas, lo que se desea conseguir es cosas que sean más baratas, tengan un mejor rendimiento y ganen nuevas funcionalidades,” afirma Gregory Nelson, científico jefe del proyecto.
Hasta ahora los investigadores de Sandia han ensamblado y puesto a prueba una única micro célula solar como prueba de principio. Sin embargo han empezado a probar módulos solares funcionales hechos de múltiples células diminutas y están desarrollando técnicas para ensamblarlas de forma eficiente.
Las células de Sandia tienen entre 0,25 y un milímetro de diámetro. La ventaja principal de la manufactura de este tipo de células tan pequeñas sería una reducción de los costes de los materiales, puesto que las diminutas células se pueden fabricar 10 veces más delgadas que las células convencionales. De forma normal, las células solares deben tener un grosor de 100 micrómetros para apoyar su área de superficie—normalmente alrededor de 15 centímetros cuadrados.
Sandia crea sus células a partir de un tipo de silicio que ha sido procesado utilizando métodos químicos convencionales. Los investigadores extraen estas células del silicio utilizando una técnica de grabado químico que crea residuos insignificantes. Tratan la superficie de la oblea para crear las propiedades eléctricas necesarias para una célula funcional, y después colocan encima unos contactos metálicos. Más tarde los investigadores tallan los 10 ó 20 micrómetros superiores de la superficie de la oblea utilizando componentes químicos que sólo se comen una parte específica de la estructura de cristal.
Las células resultantes tienen alrededor de 20 micrómetros de grosor pero mantienen la misma eficiencia que las células convencionales, convirtiendo alrededor de un 14,9 por ciento de la luz solar en energía eléctrica. También es más fácil crear las células con forma hexagonal, lo que aprovecha el máximo del área disponible sin desperdiciar demasiado silicio. “Los ahorros en cuanto a materiales son muy importantes,” afirma Nielson.
nLas células solares a microescala ofrecen nuevas posibilidades para la concentración y el seguimiento de la luz, que podría aumentar aún más la eficiencia de las células. Los sistemas de seguimiento tradicionales son grandes y pesados, y tienen que ser movidos por motores. Sobre una matriz de micro células solares podría colocarse una matriz de microlentes que necesite moverse sólo una fracción de milímetros para poder seguir al sol.
Las células microscópicas también podrían combinarse con lentes más eficientes. En vez de las lentes Fresnel, que son voluminosas y capturan sólo un 80 por ciento de la luz que les llega, las micro células podrían usar lentes refractivas, que capturan un 90 por ciento de la luz entrante. No es práctico utilizar lentes refractivas con las células solares convencionales porque dichas lentes serían demasiado caras y voluminosas en el tamaño en que son necesarias (cuanto más grande sean las lentes, más lejos se tienen que montar de la superficie de la célula). Sin embargo para las células de Sandia, una matriz de lentes refractivas podría alcanzar cada dispositivo de silicio con una lente de sólo unos pocos micrómetros de diámetro. Este tipo de matrices ya están disponibles a nivel comercial.
Nielson afirma que los desarrolladores podrían finalmente suspender las células en un líquido para crear una tinta que pudiese ser impresa en sustratos flexibles cubiertos con contactos eléctricos para crear módulos solares flexibles.
Con las células solares, la flexibilidad normalmente daña el grado de eficiencia. Por ejemplo, la compañía Konarka fabrica células solares flexibles a partir de materiales orgánicos, aunque sólo operan a eficiencias de un 4 por ciento. “Creemos que podemos usar materiales de alta eficiencia para proveer la misma flexibilidad utilizando un área cinco veces menor,” afirma Nielson.
Nielson espera que el proyecto, que está financiado a través del Programa de Tecnología Solar del Departamento de Energía de los Estados Unidos, produzca módulos para su uso militar (por ejemplo, en tiendas y mochilas de recolecta de energía) de aquí a tres años. El resto del mercado solar tiene requerimientos rigurosos en cuanto al ciclo vital de las células, por lo que puede que se tarde otro año más en desarrollar módulos que sean lo suficientemente duraderos. El laboratorio nacional probablemente otorgará la licencia de la tecnología a alguna compañía una vez que haya madurado más.