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Energía

Células solares flexibles de nanocable

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Nano solar: Un perfil lateral de los nanocables de arseniuro de galio que están creciendo sobre un sustrato de silicio. Los nanocables crecen hacia arriba con respecto al sustrato, creando una superficie que puede absorber más luz solar que una superficie plana.

  • por Tyler Hamilton | traducido por Claudia Taurel (Opinno)
  • 06 Febrero, 2008

Los investigadores en McMaster University en Notario (Canadá), afirman que han podido hacer crecer nanocables que absorben la luz. Estos nanocables están fabricados de material fotovoltaico de alto rendimiento sobre un tejido de nanotubo de carbono delgado pero muy resistente. También han logrado hacer crecer nanocables similares a partir de sustratos re-utilizables y colocaron las minúsculas partículas dentro de una película de poliéster flexible. Ambos enfoques, sostienen, podrían llevar a células solares que sean flexibles y más económicos que las fotovoltaicas de hoy en día.

Ahora, el desafío ante los investigadores es de mejorar la eficiencia de las células sin incrementar los costes. Al equipo de investigación, liderado por Ray LaPierre, profesor del departamento de ingeniería física de la universidad, se le concedió tres años para lograr este objetivo – con el respaldo de alrededor de $ 600.000 provenientes del gobierno de Ontario y Cleanfield Energy, un socio de investigación privado ubicado cerca de Toronto, dedicado al desarrollo de las tecnologías eólicas y solares.

LaPierre declara que el objetivo es de producir células solares flexibles y a un coste razonable, compuestas de nanocables del Grupo III-V que, dentro de los cinco años, lograran una eficiencia de conversión del 20%. A más largo plazo, añade, es teóricamente posible lograr un 40% de eficiencia, dada la capacidad superior de dichos materiales para absorber la energía de la luz solar y la naturaleza de captura de la luz de las estructuras de los nanocables. En comparación, las tecnologías actuales de película delegada ofrecen eficiencias de entre el 6 y 9%.

“La mayoría del trabajo de los nanocables se ha enfocado, hasta la fecha, en los nanocables de silicio.”, cuenta LaPierre, explicando a la vez que el enfoque de McMaster se basa en los nanocables que contienen múltiples capas de materiales exóticos del Grupo III-V, tales como el arseniuro de galio, el fosfuro de galio indio, el arseniuro de galio aluminio y el arseniuro fosfuro de galio. “Crea un tándem o múltiples cruces de células solares que pueden absorber un mayor rango del espectro [de luz], comparado con lo que se puede lograr con el silicio. Esto es uno de los aspectos más importantes y únicos de nuestro trabajo”. 

Cuando se utilizan en las células solares convencionales cristalinas, los materiales de Grupo III-V tienen eficiencias mucho más altas que el silicio; sin embargo, el alto coste de estos materiales ha limitado su uso. LaPierre afirma que el coste se torna menos importante con los nanocables ya que se necesita mucho menos material. Esto se debe, en parte, a que la estructura de los nanocables provee una manera más eficiente de absorber la luz y extraer los electrones liberados por la luz. En las células solares convencionales, que están hechas de planchas de material cristalina, un espesor mayor significa mejor absorción de luz, pero también significa que es más difícil que se escapen los electrones. Este intercambio forzado de ventajas y desventajas se supera con los nanocables. Cada nanocable tiene de 10 a 100 nanómetros de ancho y hasta cinco micrones de largo. Su largo maximiza la absorción, pero el ancho a nano-escala permite un movimiento y recolección más libre de electrones. “La dirección en la cual se absorbe la luz es esencialmente perpendicular a como se recolecta la electricidad”, explica LaPierre. “Se supera el dilema”.

Además de reducir los costes al utilizar menos material activo, el equipo de LaPierre también puede recortar el coste del sustrato sobre el cual crecen los nanocables. El equipo de LaPierre no requiere de un sustrato caro del Grupo III-V. Ha podido hacer crecer sus propios nanocables con éxito en sustratos hechos de silicio, que resulta ser más abundante y más económico. También están viendo la posibilidad de utilizar sustratos todavía más económicos como el vidrio, que sería ideal para la construcción de  aplicaciones PV integradas. Los sustratos flexibles como las películas de polímeros y el tejido de nanotubos de carbono podrían ser útiles para muchas aplicaciones, y podría fabricarse de manera económica utilizando los procesos “de rodillos”.

Para bajar todavía más los costes, el interés en los sustratos más económicos será complementado con un intento de reemplazar los catalizadores de oro, utilizados para el crecimiento de los nanocables, por el aluminio, a pesar de que se necesita más trabajo en esta área para lograr las densidades necesarias de los nanocables. “Hemos logrado hacer crecer los nanocables a partir del aluminio, pero el oro funciona mucho mejor”, comenta LaPierre.

Charles Lieber, profesor de química en Harvard University, que ha creado nanocables hechos de silicio, únicos y cosechan la luz. Él declara que su equipo se encuentra buscando otros materiales para la fabricación de los nanocables. “Pero existen muchos desafíos en ir de nanocable a fotovoltaica”, afirma Lieber. Agrega que la comparación de enfoques resulta difícil sin tener datos sobre las propiedades de conversión de energía de cada material.

Nathan Lewis, profesor de química en la California Institute of Technology y un experto en las estructuras de nanocable, manifiesta que es demasiado temprano para afirmar qué enfoque y qué materiales son los mejores. “Sabemos que los nanocables trabajaban en forma a granel, pero no sabemos si se puede lograr fabricar nanocables de alta pureza y calidad y controlar todas sus propiedades eléctricas”, comenta Lewis. “No existen teorías que afirmen que uno funciona mejor que otro. Es simplemente una cuestión de hacer que cualquiera de ellos funcione”.

Todavía es muy pronto para McMaster, que en trabajos con prototipos solamente ha logrado eficiencias bajas –“donde el silicio PV estaba en la década de los cincuenta”, sostiene LaPierre. Pero él sigue optimista que los materiales de alta eficiencia y el enfoque elegido llevarán a resultados beneficiosos.

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