Un equipo de científicos que estudian células solares hechas de teluro de cadmio, una alternativa prometedora al silicio, descubrió que las "líneas de falla" microscópicas dentro y entre los cristales del material actúan como vías conductoras que facilitan el flujo de corriente eléctrica.realizado en la Universidad de Connecticut y en el Laboratorio Nacional Brookhaven del Departamento de Energía de EE. UU., y descrito en la revista Nature Energy, puede ayudar a explicar cómo una técnica de procesamiento común convierte el telururo de cadmio en un excelente material para transformar la luz solar en electricidad, y sugiere una estrategia paradiseñar dispositivos solares más eficientes que superen el rendimiento del silicio.
"Si se miran los semiconductores como el silicio, los defectos en los cristales suelen ser malos", dijo el coautor Eric Stach, físico del Centro de Nanomateriales Funcionales CFN del Laboratorio Brookhaven. Como explicó Stach, los átomos extraviados o los ligeros cambios ensu alineación a menudo actúa como trampas para las partículas que transportan electrones cargados negativamente de corriente eléctrica o los "agujeros" cargados positivamente que quedan cuando los electrones son liberados por los fotones de la luz solar, haciéndolos más móviles. La idea detrás de las células solares es separar elcargas positivas y negativas y ejecutarlas a través de un circuito para que la corriente se pueda utilizar para alimentar casas, satélites o incluso ciudades. Los defectos interrumpen este flujo de cargas y evitan que la célula solar sea tan eficiente como podría ser.
Pero en el caso del telururo de cadmio, los científicos descubrieron que los límites entre los cristales individuales y los "defectos planos", desalineaciones como fallas en la disposición de los átomos, crean vías para la conductividad, no trampas.
Los miembros del grupo de Bryan Huey en el Instituto de Ciencia de Materiales de la Universidad de Connecticut fueron los primeros en notar la conexión sorprendente. En un esfuerzo por comprender los efectos de un tratamiento con solución de cloruro que mejora en gran medida las propiedades conductoras del telururo de cadmio, Justin Luria yYasemin Kutes estudió las células solares antes y después del tratamiento, pero lo hicieron de una manera única.
Varios grupos en todo el mundo habían examinado las superficies de tales células solares antes, a menudo con una herramienta conocida como microscopio de fuerza atómica conductora. El microscopio tiene una sonda fina muchas veces más afilada que la punta de un alfiler que escanea el materialsuperficie para rastrear las características topográficas las colinas y los valles de la estructura de la superficie mientras se mide simultáneamente la conductividad específica de la ubicación. Los científicos usan esta técnica para explorar cómo las características de la superficie se relacionan con el rendimiento de las células solares en la nanoescala.
Pero nadie había ideado una forma de hacer mediciones debajo de la superficie, la parte más importante de la célula solar. Aquí es donde el equipo de UConn hizo un avance importante. Usaron un enfoque desarrollado y perfeccionado por Kutes y Luria durante el últimodos años para adquirir cientos de imágenes secuenciales, cada vez que quitan intencionalmente una capa de nanoescala del material, para poder escanear todo el grosor de la muestra. Luego usaron estas imágenes capa por capa para construir una imagen tridimensional,mapa 'tomográfico' de alta resolución de la célula solar, algo así como una tomografía computarizada TC cerebral.
"Todos los que usan estos microscopios básicamente toman fotos del 'suelo' e interpretan lo que hay debajo", dijo Huey. "Puede parecer que hay una cueva, o una plataforma de roca, o una base de construcción allí abajo. Pero podemossolo sabemos una vez que cavamos con cuidado, como los arqueólogos, haciendo un seguimiento de lo que encontramos exactamente en cada paso del camino, aunque, por supuesto, a una escala mucho, mucho más pequeña ".
Los mapas CT-AFM resultantes revelaron de manera única la corriente que fluye más libremente a lo largo de los límites de los cristales y defectos similares a fallas en las células solares de teluro de cadmio. Las muestras que habían sido tratadas con la solución de cloruro tenían más defectos en general, una mayor densidad de estosdefectos, y lo que parecía ser un alto grado de conectividad entre ellos, mientras que las muestras no tratadas tenían pocos defectos, ninguna evidencia de conectividad y una conductividad mucho menor.
El equipo de Huey sospechaba que los defectos eran llamados defectos planos, generalmente causados por cambios en las alineaciones atómicas o arreglos de apilamiento dentro de los cristales. Pero el sistema CTAFM no está diseñado para revelar tales detalles estructurales a escala atómica. Para obtener esa información,el equipo de UConn se dirigió a Stach, jefe del grupo de microscopía electrónica en el CFN, una instalación de usuarios de la Oficina de Ciencia del DOE
"Habiendo compartido previamente ideas con Eric, fue una extensión natural de nuestro descubrimiento trabajar con su grupo", dijo Huey.
Dijo Stach, "Este es el tipo exacto de problema que el CFN está configurado para manejar, proporcionando experiencia y equipo que los investigadores universitarios pueden no tener para ayudar a conducir la ciencia de la hipótesis al descubrimiento".
El físico del personal de CFN, Lihua Zhang, utilizó un microscopio electrónico de transmisión TEM y los resultados de UConn como guía para estudiar meticulosamente cómo las características de la escala atómica del telururo de cadmio tratado con cloruro se relacionaban con los mapas de conductividad. Las imágenes TEM revelaron la estructura atómica de los defectos, confirmando que se debieron a cambios específicos en la secuencia de apilamiento de átomos en el material. Las imágenes también mostraron claramente que estos defectos planos conectaban diferentes granos en el cristal, lo que conducía a vías de alta conductividad para el movimiento de electrones y agujeros.
"Cuando observamos las regiones con buena conductividad, los defectos planos se unieron de un grano de cristal a otro, formando vías continuas de conductancia a través de todo el grosor del material", dijo Zhang. "Entonces, las regiones que tenían la mejor conductividadfueron los que tuvieron un alto grado de conectividad entre estos defectos "
Los autores dicen que es posible que el tratamiento con cloruro ayude a crear la conectividad, no solo más defectos, sino que se necesita más investigación para determinar definitivamente los efectos más significativos del tratamiento con solución de cloruro.
En cualquier caso, Stach dice que al combinar la técnica CTAFM y la microscopía electrónica, se obtiene un "claro ganador" en la búsqueda de alternativas más eficientes y económicas para las células solares de silicio, que casi han alcanzado su límite de eficiencia.
"Ya existe una industria de mil millones de dólares al año que fabrica células solares de telururo de cadmio, y mucho trabajo explorando otras alternativas al silicio. Pero todas estas alternativas, debido a su estructura cristalina, tienen una mayor tendencia a formar defectos", dijo." Este trabajo nos brinda un método sistemático que podemos usar para comprender si los defectos son buenos o malos en términos de conductividad. También se puede usar para explorar los efectos de diferentes métodos de procesamiento o químicos para controlar cómo se forman los defectosEn el caso del telururo de cadmio, es posible que deseemos encontrar formas de hacer más de estos defectos, o buscar otros materiales en los que los defectos mejoren el rendimiento ". Esta investigación fue respaldada por la Oficina de Eficiencia Energética y Energía Renovable EERE del DOE-incluido su Programa Sunshot- y la Oficina de Ciencia del DOE. Andrew Moore, de la Universidad Estatal de Colorado, proporcionó las muestras de telururo de cadmio.
Fuente de la historia :
Materiales proporcionado por Laboratorio Nacional Brookhaven . Nota: El contenido puede ser editado por estilo y longitud.
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