Un equipo de investigadores de la Universidad de Illinois acaban de crear unas células solares esféricas y de autoensamblaje capaces de capturar más luz solar que las células planas. Esta forma esférica ofrece un modo más sencillo de asegurarse una mayor utilización de los rayos del sol, pero hasta ahora ha resultado difícil aplicarla a una célula solar. Estas nuevas células solares a microescala están hechas utilizando métodos de litografía convencionales combinados con autoensamblaje. Si resultan ser prácticas, los dispositivos se podrían cablear en grandes grupos para conseguir la misma generación de energía que consiguen las células convencionales, aunque se produciría un ahorro en cuanto a materiales puesto que se utilizaría menos silicio.
“En vez de una gran losa de semiconductores repleta de lentes concentradoras y motores para moverla en varias direcciones, queremos crear células compactas que aún así proporcionen una cantidad de energía significativa,” afirma Ralph Nuzzo, profesor de química en la Universidad de Illinois en Urbana Champaign.
Las superficies curvas capturan más luz que las planas puesto que tienen un área de superficie mayor. Sin embargo la creación de células solares curvadas o esféricas es todo un reto, afirma Nuzzo, puesto que las técnicas utilizadas para procesar los materiales semiconductores tales como el silicio funcionan mejor sobre superficies planas. El grupo de Nuzzo ha solucionado este problema mediante la creación de estructuras en 3-D a microescala que se autoensamblan a partir de láminas planas.
Los investigadores de Illinois comienzan tratando la superficie de una oblea de silicio delgada y de alta calidad, utilizando métodos de litografía convencionales para grabar una forma delgada y bidimensional. Para construir una esfera, los investigadores cortan el silicio en forma de flor. Después utilizan un adhesivo para asegurar dentro una pequeña pieza de cristal. El cristal ayuda a que la estructura mantenga su forma una vez ensamblada. Finalmente, al hacer que una gota de agua colocada en el centro de la forma de flor se evapore, la tensión de la superficie tira de los pétalos hacia arriba, lo que hace que los pétalos se unan y formen una esfera.
“El reto al que nos enfrentamos tiene que ver con el modo de hacer que las cosas sigan el orden necesario de pasos para doblarse y conseguir la forma adecuada,” afirma Nuzzo. El grupo de Illinois halló unos modelos matemáticos que ayudan a predecir las propiedades mecánicas de las láminas de silicio de distintas formas y grosores, así como la forma en que interactúan con el agua, y que pueden ser ajustadas mediante el tratamiento químico de sus superficies.
El grupo de Nuzzo utilizó las técnicas para fabricar células solares esféricas, funcionales y a tamaño microscópico, como prueba de la funcionalidad de lo que él denomina “origami de materiales.” Antes de cortar el silicio para formar los pétalos, el equipo le dio un tratamiento para crear las regiones conductivas que después se encargan de hacer que la célula solar funcione. Después de que la flor se dobla y forma la esfera, se añaden los contactos eléctricos. El grupo también utilizó una técnica similar para crear células micro-solares cilíndricas.
Estos dispositivos convierten sólo un 1 por ciento de la luz en electricidad—una cuota muy pobre para una célula solar—pero el resultado es mejor si se compara con una célula solar plana fabricada con las mismas técnicas relativamente rudimentarias y usando la misma cantidad de silicio. Los investigadores afirman que la técnica podría aplicarse a otros materiales más allá del silicio, y podría usarse para fabricar nuevas formas de células solares. El trabajo está descrito online esta semana en Proceedings of the National Academy of Sciences.
“El proceso de doblado es muy interesante puesto que se logran crear formas tridimensionales fantásticas y complicadas,” afirma George Barbastathis, profesor de ingeniería mecánica en MIT.
Existen otras formas de mejorar la capacidad de las células solares para capturar la luz, tal y como la aplicación de capas antireflectantes y texturas en la superficie. La principal ventaja del nuevo método es que requiere menos material, afirma Nuzzo. Las células solares planas de sólo unos cuantos micrómetros de grosor no se pueden texturizar—simplemente no poseen la suficiente cantidad de material. Y las capas antireflectantes añaden costes de manufactura y complejidad adicionales. Nuzzo espera que el autoensamblaje pueda servir como alte ativa.
En la actualidad el grupo de Illinois empezará a trabajar para mejorar el proceso, así como para crear diseños que mejoren la gestión de luz de las células. “Queremos introducir factores de forma basados en materiales de alto rendimiento como el silicio pero que proporcionen una economía sustanciosa” mediante el uso de la menor cantidad posible de material de alto precio, afirma Nuzzo.