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Cambio Climático

El uso de nanopatrones mejora las células solares de película fina

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Unos diminutos agujeros en el contacto eléctrico trasero hacen que las células solares de película fina sean más eficientes.

  • por Kate Greene | traducido por Francisco Reyes (Opinno)
  • 19 Octubre, 2009

Todos los tipos de tecnología de células solares tienen sus ventajas y desventajas. Las células solares de película fina, por ejemplo, necesitan menos material que las células solares tradicionales y por tanto son más económicas, ligeras y flexibles. Y si esas películas finas estuviesen hechas de silicio amorfo, el coste se reduciría aún más. El problema, no obstante, es que las células solares de película fina hechas con silicio amorfo tienden a poseer grados de eficiencia extremadamente bajos en comparación con los componentes fotovoltaicos más gruesos y de silicio cristalino.

Sin embargo, un estudio de Caltech acaba de demostrar que es posible aumentar la eficiencia de las células de película fina de silicio amorfo un 37 por ciento—de un 4,5 por ciento de eficiencia a un 6,5 por ciento, lo que aún es significativamente más bajo que las células de silicio cristalino comerciales, que alcanzan eficiencias del 30 por ciento o más—mediante la simple inclusión de un patrón de agujeros a nanoescala en el contacto eléctrico de la parte de atrás de las células. Es importante señalar que esta investigación, dirigida por Harry Atwater, profesor de física aplicada y ciencia de los materiales en Caltech, parece ser práctica para el aumento de la producción de estas células a gran escala.

Existen una serie de investigadores y startups dedicados a la exploración de las células solares de película fina hechas con materiales distintos al silicio. No obstante, y según afirma Atwater, estos materiales son relativamente poco frecuentes y, por tanto, no son prácticos para su uso en masa. “Son problemáticos a escalas extremadamente altas,” afirma.

El silicio posee la gran ventaja de ser abundante y tener un largo historial dentro de la manufactura de componentes electrónicos. Pero para su uso en células solares finas, el silicio no resulta tan ideal. Hay una falta de concordancia entre la distancia que necesitan los fotones para ser absorbidos en el silicio y la distancia que recorren los electrones para producir una corriente eléctrica. En esencia, los electrones que abandonan su posición después de ser golpeados por los fotones tienen a volver a su sitio antes de que puedan ser recolectados, lo que da como resultado unos bajos niveles de eficiencia a la hora de convertir la luz solar en electricidad. No obstante, si la absorción óptica pudiese mejorarse, entonces se lograría recoletar más electrones en general y se incrementaría la eficiencia.

Los investigadores y las compañías están explorando varias opciones para mejorar las eficiencias en este tipo de células. Por ejemplo, StarSolar, una compañía surgida de MIT y con sede en Cambridge, Massachusetts, está explorando los cristales fotónicos, unas estructuras que reflejan la luz varias veces dentro de la célula solar para incrementar las probabilidades de que producir corriente eléctrica. Sin embargo, hasta ahora este método parece tener dificultades para ser llevado a cabo a gran escala.

El método de Atwater se centra en la parte de atrás de la célula solar, el contacto eléctrico metálico que se coloca detrás de las capas de material de silicio “activo” donde los fotones son absorbidos. En vez de utilizar una rejilla para producir reflejos internos múltiples, se utiliza una serie de agujeros de 225 nanómetros de diámetro. Cuando la luz alcanza un metal con una serie de agujeros a esta escala, se produce un efecto físico interesante. La energía de la luz es atrapada esencialmente en la onda bidimensional sobre la superficie del metal. Los electrones en estas ondas de superficie, llamados plasmones, producen corriente eléctrica más fácilmente que los del silicio, que tienden a volver a su lugar rápidamente.

Durante un trabajo anterior, Atwater y otros investigadores han explorado el uso de plasmónicos para mejorar la eficiencia de células hechas de arsienuro de galio, un material semiconductor normalmente utilizado en componentes ópticos; también han probado con materiales orgánicos e incluso con silicio amorfo. Sin embargo, en este trabajo anterior las estructuras plasmónicas se aplicaban a la parte frontal de las películas finas de silicio amorfo de las células solares; en esta posición, tienden a absorber la luz de ciertas longitudes de onda y a convertirla en calor.

“Algo que observamos con las partículas de la parte frontal de las células solares es una pérdida neta de longitudes de onda cortas debida a la absorción por resonancia del mismo metal,” afirma Atwater. “Esto es algo que queremos evitar.”

“Han sido muy inteligentes al poner las estructuras metálicas en los contactos traseros,” afirma Mark Brongersma, profesor de ciencias de los materiales e ingeniería en Stanford. “Ahora, toda la luz incidente pasa al menos una vez a través de la célula, y las estructuras plasmónicas se pueden optimizar para administrar unos cuantos fotones dentro de un espectro más estrecho.” En otras palabras, el tamaño y el espacio de los agujeros se pueden modificar para aprovechar las longitudes de onda de la luz que atraviesa el silicio y llega al contacto trasero.

Para fabricar el nanopatrón de agujeros, el grupo de Atwater utiliza un sello capaz de imprimir agujeros sobre el área de una oblea de silicio entera. Durante una serie de pasos sencillos, se forma la serie de agujeros en una fina capa de material sobre la oblea de silicio, que después se cubre con metal. Más tarde, el material de silicio activo en la célula y sobre el contacto eléctrico de arriba se deposita encima de la parte de atrás estampada con el patrón. El sello se puede utilizar para miles de impresiones antes de tener que ser reemplazado.

Brongersma, que no estuvo involucrado en el estudio, añade que esta técnica de fabricación es ciertamente adecuada para la manufactura a gran escala. “Este trabajo también supone un gran paso adelante a la hora de mostrar que puede que seamos capaces de aplicar el uso de componentes fotovoltaicos plasmónicos en grandes áreas.”

Los investigadores, que publicarán el trabajo en un próximo número de Applied Physics Letters, han llevado a cabo simulaciones para determinar el diámetro de agujero óptimo, así como el espaciado. Para poner a prueba el rendimiento de los distintos tipos de agujeros, los investigadores se enfocaron en la eficiencia de una única longitud de onda, 660 nanómetros. Sus simulaciones indicaron que al incrementar el diámetro y reducir la profundidad ligeramente, pueden mejorar la absorción en esa longitud de onda desde un 42 a un 54 por ciento, lo que debería mejorar aún más el rendimiento en general de todo el componente fotovoltaico, aunque no está claro la magnitud de dicha mejora.

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