EN EL LABORATORIO BERKELEY HAN DESARROLLADO UNA TÉCNICA DE BAJO COSTO PARA HECER CELDAS SOLARES DE NANOCABLES DE ALTA CALIDAD.

31 de Agosto de 2011.

Por: Lynn Yarris. 

Las células solares o fotovoltaicas son una de las mejores tecnologías posibles para proporcionar una fuente absolutamente limpia y virtualmente inagotable de energía para alimentar a nuestra civilización. Sin embargo, para que este sueño se haga realidad, las células solares deben ser hechas con elementos baratos utilizando la transformación química de bajo costo, menos intensiva en energía, y se necesita que sea eficiente y de costo competitivo para convertir eficientemente la luz solar en electricidad. Un equipo de investigadores del Departamento de Energía de EE.UU. (DOE) del Laboratorio Nacional Lawrence Berkeley (Berkeley Lab) ha demostrado ahora dos de cada tres de estos requisitos con un comienzo prometedor en el tercero.

El esquema muestra cómo hacer nanocables núcleo / estructura para celdas solares: a partir de la izquierda con un nanocable CdS (verde) que se sumerge en CuCl donde la reacción de intercambio catiónico crea un caparazón recubrimiento de Cu2S (marrón). Los contactos metálicos se depositan en el núcleo CdS y el caparazón de Cu2S. (Imagen cortesía de Yang, et. Al)

El químico Peidong Yang de Berkeley Lab es una autoridad líder en nanocables semiconductores. (Foto de Roy Kaltschmidt, Berkely Laboratorio de Asuntos Públicos)

Esta imagen de microscopía electrónica de barrido muestra tres Celdas solares en serie en un solo nanocable con las regiones de núcleo-estructura descritas. (Imagen cortesía de Yang, et. Al)

Peidong Yang, un químico de la División de Ciencias de Materiales del laboratorio de Berkeley, dirigió el desarrollo de una técnica basada en soluciones para la fabricación del núcleo / estructura de células solares de nanocables utilizando semiconductores de sulfuro de cadmio para el núcleo y el sulfuro de de cobre para la estructura. Estas celdas solares de nanocables baratas y fáciles de hacer para contar con voltaje de circuito abierto y llenar de valores de factor superior a las células solares convencionales planas. En conjunto, el voltaje de circuito abierto y factor de relleno determinan la máxima energía que una célula solar puede producir. Además, los nanocables nuevos también han demostrado una eficiencia de conversión energética del 5,4 por ciento, que es comparable a las células solares planas.

"Esta es la primera vez que una solución basada en técnica química de intercambio catiónico es utilizada para la producción de nanocables de alta calidad de un solo cristalino de sulfuro de cadmio , el núcleo / estructura de sulfuro de cobre", dice Yang. "Nuestro logro, junto con el aumentó de la absorción de luz, lo hemos demostrado previamente en las matrices de nanohilos a través de trampas de luz, indicando que el núcleo / estructura de los nanocables son realmente prometedores para la tecnología futura de células solares."

Yang, que tiene una asignación conjunta con la Universidad de California (UC) en Berkeley, es el autor principal de un artículo que informa sobre la investigación que aparece en la revista Nature Nanotechnology. El documento se titula "Solución al procesado de nanocables de núcleo-estructura para células fotovoltaicas eficientes." Con la co-autoría de este documento de Yang , Jinyao Tang, Huo Ziyang, Brittman Sarah y Gao Hanwei.

Celdas solares típicas se hacen hoy de láminas ultra-puras de silicio monocristalino que requieren alrededor de 100 micrómetros de espesor de este material muy caro para absorber suficiente luz solar. Además, el alto nivel de purificación de los cristales requiere que se haga la fabricación de células solares planas incluso más simples a base de silicio en un proceso complejo, de energía intensiva y costosa.

Una alternativa muy prometedora sería la de nanocables semiconductores - tiras de una dimensión 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 de celdas solares planas convencionales, incluida la mejor separación de carga y las capacidades de acopio, además de que se pueden hacer de materiales abundantes en la Tierra en lugar de silicio altamente procesado​​. Hasta la fecha, sin embargo, la eficacia más baja de células solares basadas en nanocables han pesado más que sus beneficios.

"Las celdas solares de nanocables en el pasado han demostrado factores de llenado y de 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 de alta temperatura ."
En el corazón de todas las celdas solares hay dos capas separadas de material, uno con una gran cantidad de electrones que funcionan como polo negativo, y uno con una gran cantidad de agujeros de electrones (espacios de energía con carga positiva) que funcionan como polo positivo. Cuando los fotones del sol son absorbidos, 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 es recogida como electricidad.

Hace aproximadamente un año, trabajando con el silicio, Yang y miembros de su grupo de investigación desarrolló una forma relativamente barata para reemplazar las uniones p-n de las celdas solares planas convencionales con una unión p-n radial, en la que una capa de silicio tipo n forman 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 celda fotovoltaica y mejora en gran medida las capacidades de captura de luz de las películas delgadas fotovoltaicas a base de silicio.

Ahora que han aplicado esta estrategia para la fabricación de nanocables núcleo / estructura usando el sulfuro de cadmio y el sulfuro de cobre, pero esta vez utilizando la solución química . Estos nanocables núcleo / estructura se prepararon con una solución basada en un catión (ion negativo) ,reacción de intercambio que fue desarrollada originalmente por el químico Paul Alivisatos y su grupo de investigación para que los puntos cuánticos y nanorods (especies de varillas-nanovarillas). Alivisatos es ahora el director del laboratorio de Berkeley y Larry y Diane Bock Profesores de Nanotecnología en UC Berkeley.

"Los nanocables iniciales de sulfuro de cadmio fueron sintetizados 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 pueden hacer usando un proceso de solución" , dice Yang. "Los nanocables de sulfuro de cadmio que crecieron como cristalino individual tienen un diámetro de entre 100 y 400 nanómetros y longitudes de hasta 50 milímetros."

Los nanocables de sulfuro de cadmio fueron introducidos entonces en una solución de cloruro de cobre a una temperatura de 50 grados centígrados y se mantuvireon durante 5 a 10 segundos. La reacción de intercambio catiónico convierte la capa superficial del de sulfuro de cadmio en un caparazón el sulfuro de cobre.

"La solución basada en la reacción de intercambio catiónico nos proporciona una forma fácil, un método de bajo costo para preparar nanomateriales de alta calidad hetero-epitaxial", dice Yang. "Además, evita las dificultades de la implantación de alta temperatura y la sedimentación para los métodos de producción en fase de vapor típica, lo que sugiere costes de fabricación mucho más bajos y una mejor reproducibilidad. Todo lo que necesitamos son vasos de precipitados y matraces para este proceso basado en soluciones. No hay ninguno de los altos costes asociados a la fabricación _con _la sedimentación de vapor químico epitaxial en fase gaseosa y la epitaxia de haces moleculares, las 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 la celda solar mediante el aumento de la cantidad de material de la capa de sulfuro de cobre. Por su tecnología para ser comercialmente viable, necesitan alcanzar una eficiencia de conversión de energía de al menos el diez por ciento.

Fuente: Laboratorio Nacional Lawrence Berkeley-DOE.