12/10/2011 - Células fotovoltaicas de nanocables

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Un equipo del Laboratorio de Berkeley ha desarrollado una técnica de bajo coste para la fabricación de células solares con nanocables de alta calidad, lo que podría ayudar a reducir los costes de producción de las células solares fotovoltaicas, al tiempo que se mantienen sus niveles de eficiencia.

Las células solares FV representan una de las mejores tecnologías para proporcionar una fuente de energía completamente limpia y casi inagotable para nuestra civilización. Sin embargo, para que este sueño se haga realidad, tienen que estar fabricadas con elementos baratos, utilizando una transformación química de bajo coste y de menos intensidad energética, y necesitan convertir la luz solar en electricidad de forma eficiente y a un coste competitivo.

Un equipo de investigadores del Laboratorio Nacional Lawrence Berkeley (Berkeley Lab) del Departamento de Energía (DOE) de EEUU ha demostrado ahora dos de estos tres requisitos, con un comienzo prometedor para el tercero de ellos.

Peidong Yang, un químico de la División de Ciencias de Materiales del Laboratorio Berkeley, ha dirigido el desarrollo de una técnica para la fabricación del núcleo/estructura de células solares de nanocables utilizando semiconductores de sulfuro de cadmio para el núcleo y sulfuro de cobre para la estructura. Estas células son baratas y fáciles de fabricar, y cuentan con un voltaje de circuito abierto y unos factores de relleno superiores a las células solares convencionales planas. En conjunto, el voltaje de circuito abierto y el factor de relleno determinan la energía máxima que una célula solar puede producir. Además, los nuevos nanocables también han demostrado una eficiencia de conversión energética del 5,4%, que es comparable a la de las células solares planas.

"Esta es la primera vez que se ha utilizado una técnica química de intercambio catiónico en solución para producir nanocables monocristalinos de sulfuro de cadmio, con un núcleo/estructura de sulfuro de cobre", dice Yang. "Nuestro logro, junto con el aumento de la absorción de luz que hemos demostrado anteriormente en las instalaciones de nanocables a través de trampas de luz, indican que el núcleo/estructura de los nanocables es realmente prometedor para la tecnología futura de células solares".

Hoy día, normalmente las células solares están hechas de láminas ultrapuras de silicio monocristalino, que requieren alrededor de 100 micrómetros de grosor de este material tan caro, para absorber suficiente luz solar. Además, el alto nivel de purificación de los cristales, requiere que incluso la fabricación de células solares planas más simples a base de silicio se convierta en un complejo proceso, costoso, y que requiere además una energía intensiva.

Más finos que el cabello humano

Una alternativa muy prometedora serían los nanocables semiconductores, tiras unidimensionales de materiales cuya anchura mide sólo una milésima parte de un cabello humano pero cuya longitud puede prolongarse hasta la escala milimétrica. Las células solares hechas de nanocables ofrecen una serie de ventajas sobre las convencionales, incluyendo la mejor separación de carga y las mejores capacidades de acopio, además de que se pueden realizar a partir de materiales abundantes en la Tierra. Hasta ahora, sin embargo, la baja eficiencia de estas células ha pesado más que sus beneficios.

"En el pasado, las células solares de nanocables han demostrado factores de rellenado y voltajes de circuito abierto muy inferiores a las de sus homólogas planas", dice Yang. "Las posibles razones de este bajo rendimiento son la recombinación superficial y el poco control sobre la calidad de las uniones p-n cuando se utilizan procesos implantados a alta temperatura".

En el corazón de todas las células solares hay dos capas separadas de material, una con una gran cantidad de electrones que funcionan como polo negativo, y otra con una gran cantidad de agujeros de electrones (espacios de energía con carga positiva) que funcionan como polo positivo. Cuando se absorben los fotones del sol, su energía se utiliza para crear pares electrón-hueco, que luego se separan en la unión p-n (la interfaz entre las dos capas) y se recoge como electricidad.

Los nanocables se convierten en células solares

Hace aproximadamente un año, trabajando con el silicio, Yang y los miembros de su grupo de investigación desarrollaron una forma relativamente barata para reemplazar las uniones p-n de las células solares planas convencionales con una unión p-n radial, en la que una capa de silicio de tipo n, forma una capa alrededor de un núcleo de nanocables de silicio tipo p. Esta geometría convierte efectivamente a cada uno de los nanocables individuales en una célula fotovoltaica y mejora en gran medida las capacidades de captura de luz de las células de capa fina a base de silicio.

Ahora han aplicado esta estrategia para la fabricación de nanocables núcleo/estructura usando sulfuro de cadmio y sulfuro de cobre, pero esta vez utilizando una solución química. Estos nanocables núcleo/estructura se prepararon con una reacción de intercambio catiónico en solución (ión negativo), que fue desarrollada originalmente por el químico Paul Alivisatos y su grupo de investigación para hacer puntos cuánticos y nanorods (especies de varillas–nanovarillas). Alivisatos es ahora el director del Laboratorio Berkeley, y Larry y Diane Bock son catedráticos de Nanotecnología en la Universidad de Berkeley, en California.

"Los nanocables iniciales de sulfuro de cadmio se sintetizaron por transporte de vapor físico usando un mecanismo vapor-líquido-sólido (VLS) en lugar de química húmeda, lo cual nos dio una mejor calidad del material y una mayor longitud física, pero lo cierto es que también se puede hacer usando un proceso de solución" señala Yang. "Los nanocables de sulfuro de cadmio que crecieron como cristal individual tienen un diámetro de entre 100 y 400 nanómetros y longitudes de hasta 50 milímetros".

Los nanocables de sulfuro de cadmio se sumergieron entonces en una solución de cloruro de cobre a una temperatura de 50 grados centígrados de 5 a 10 segundos. La reacción de intercambio catiónico convierte la capa superficial de sulfuro de cadmio en un caparazón de sulfuro de cobre.

"La reacción de intercambio catiónico en solución nos proporciona un método de trabajo fácil y de bajo coste para preparar nanomateriales hetero-epitaxial de alta calidad", señala Yang. "Además, evita las dificultades de la implantación de alta temperatura y la sedimentación para los métodos de producción en fase de vapor típicos, lo que sugiere unos costes de fabricación mucho más bajos y una mejor reproductibilidad. Todo lo que necesitamos son vasos de precipitados y matraces para este proceso en solución. No hay ninguno de los altos costes asociados a la fabricación con la sedimentación de vapor químico epitaxial en fase gaseosa y a la epitaxia de haces moleculares, las dos técnicas más utilizadas hoy en día para la fabricación de nanocables semiconductores".

Yang y sus colegas creen que pueden mejorar la eficiencia de conversión energética de sus nanocables de las células solares, aumentando la cantidad de material de la capa de sulfuro de cobre. Para que su tecnología sea comercialmente viable, necesitan alcanzar una eficiencia de conversión de energía de al menos el 10%.

Fuente origen: LBNL News Center

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