Una célula solar es básicamente un semiconductor, que convierte la luz solar en electricidad, intercalada entre los contactos metálicos que transportan la corriente eléctrica.
Pero este diseño ampliamente utilizado tiene un defecto: el metal brillante en la parte superior de la celda en realidad refleja la luz solar lejos del semiconductor donde se produce electricidad, lo que reduce la eficiencia de la celda.
Ahora, los científicos de la Universidad de Stanford han descubierto cómo ocultar el contacto superior reflectante y la luz del embudo directamente al semiconductor a continuación. Sus hallazgos, publicados en la revista ACS Nano , podría conducir a un nuevo paradigma en el diseño y fabricación de células solares.
"Utilizando la nanotecnología, hemos desarrollado una forma novedosa de hacer que el contacto del metal superior sea casi invisible a la luz entrante", dijo el autor principal del estudio, Vijay Narasimhan, quien realizó el trabajo como estudiante graduado en Stanford. "Nuestra nueva técnica podría mejorar significativamentela eficiencia y, por lo tanto, reducir el costo de las células solares ".
Se puede ver un video de YouTube del experimento en: http://youtu.be/mJORhZaGH5A
metal tipo espejo
En la mayoría de las células solares, el contacto superior consiste en una rejilla de alambre de metal que transporta electricidad hacia o desde el dispositivo. Pero estos cables también evitan que la luz solar llegue al semiconductor, que generalmente está hecho de silicio.
"Mientras más metal tenga en la superficie, más luz bloqueará", dijo el coautor del estudio, Yi Cui, profesor asociado de ciencia e ingeniería de materiales. "Esa luz se pierde y no se puede convertir en electricidad".
Los contactos metálicos, por lo tanto, "enfrentan una compensación aparentemente irreconciliable entre la conductividad eléctrica y la transparencia óptica", agregó Narasimhan. "Pero la nanoestructura que creamos elimina esa compensación".
Para el estudio, el equipo de Stanford colocó una película de oro de 16 nanómetros de espesor en una lámina plana de silicio. La película de oro estaba plagada de una serie de agujeros cuadrados de tamaño nanométrico, pero a simple vista, la superficie parecía un brillo, espejo de oro.
El análisis óptico reveló que la película de oro perforada cubría el 65 por ciento de la superficie de silicio y reflejaba, en promedio, el 50 por ciento de la luz entrante. Los científicos razonaron que si de alguna manera pudieran ocultar la película de oro reflectante, más luz llegaría al siliciosemiconductor a continuación.
nanopilares de silicio
La solución: crear pilares de silicio de tamaño nanométrico que "se eleven" sobre la película de oro y redirigir la luz solar antes de que toque la superficie metálica.
La creación de nanopilares de silicio resultó ser un proceso químico de un solo paso.
"Sumergimos el silicio y la película de oro perforada juntos en una solución de ácido fluorhídrico y peróxido de hidrógeno", dijo el estudiante graduado y coautor del estudio Thomas Hymel. "La película de oro inmediatamente comenzó a hundirse en el sustrato de silicio y los nanopilares de silicio".comenzó a aparecer a través de los agujeros en la película "
En cuestión de segundos, los pilares de silicio crecieron a una altura de 330 nanómetros, transformando la superficie dorada brillante a un rojo oscuro. Este cambio de color dramático fue una clara indicación de que el metal ya no reflejaba la luz.
"Tan pronto como los nanopilares de silicio comenzaron a emerger, comenzaron a canalizar la luz alrededor de la rejilla metálica y hacia el sustrato de silicio debajo", explicó Narasimhan.
Comparó la matriz de nanopilares con un colador en el fregadero de la cocina. "Cuando abre el grifo, no toda el agua pasa a través de los agujeros del colador", dijo. "Pero si tuviera que poner un pequeñoembudo en la parte superior de cada agujero, la mayor parte del agua fluiría directamente sin problemas. Eso es esencialmente lo que hace nuestra estructura: los nanopilares actúan como embudos que capturan la luz y la guían al sustrato de silicio a través de los agujeros en la rejilla metálica ".
gran impulso
El equipo de investigación optimizó el diseño a través de una serie de simulaciones y experimentos.
"Las células solares generalmente están sombreadas por alambres de metal que cubren del 5 al 10 por ciento de la superficie superior", dijo Narasimhan. "En nuestro mejor diseño, casi dos tercios de la superficie pueden cubrirse con metal, pero el reflejola pérdida es solo del 3 por ciento. Tener tanto metal podría aumentar la conductividad y hacer que la célula sea mucho más eficiente para convertir la luz en electricidad ".
Por ejemplo, esta tecnología podría aumentar la eficiencia de una célula solar convencional del 20% al 22%, un aumento significativo, dijo.
El equipo de investigación planea probar el diseño en una célula solar en funcionamiento y evaluar su rendimiento en condiciones del mundo real.
Contactos encubiertos
Además del oro, la arquitectura de nanopilares también trabajará con contactos hechos de plata, platino, níquel y otros metales, dijo el estudiante graduado y coautor Ruby Lai.
"Los llamamos contactos encubiertos, porque el metal se esconde en las sombras de los nanopilares de silicio", dijo. "No importa qué tipo de metal pongas allí. Será casi invisible a la luz entrante".
Además del silicio, esta nueva tecnología se puede usar con otros materiales semiconductores para una variedad de aplicaciones, incluidos fotosensores, diodos emisores de luz y pantallas, baterías transparentes y células solares.
"Con la mayoría de los dispositivos optoelectrónicos, normalmente se construyen el semiconductor y los contactos metálicos por separado", dijo Cui, codirector del Consorcio Fotovoltaico del Área de la Bahía del Departamento de Energía BAPVC. "Nuestros resultados sugieren un nuevo paradigma donde estos componentes sondiseñado y fabricado en conjunto para crear una interfaz de alto rendimiento "
Fuente de la historia :
Materiales proporcionado por Universidad de Stanford . Original escrito por Mark Shwartz. Nota: El contenido puede ser editado por estilo y longitud.
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