Científicos diseñan celdas solares que exceden el límite de captura de luz

Las celdas solares de mayor desempeño son aquellas que son lo suficientemente gruesas para absorber la luz de todo el espectro solar, mientras que las celdas más baratas son delgadas debido a que requieren una menor cantidad de materiales para su construcción (también son más baratas).

Y en un intento por combinar lo mejor de ambos mundos (celdas delgadas que absorban una mayor cantidad de luz y que sean a su vez más baratas), un equipo de científicos ha esbozado los primeros diseños de celdas solares que puedan absorber la luz de todo el espectro con materiales que apenas alcanzan los 10 nanómetros de espesor. El nanómetro es la unidad de longitud que equivale a una millonésima parte de un metro.

El nuevo enfoque de diseño, que permitiría reducir los costos en la fabricación de las celdas, requiere la superación del límite termodinámico de la cantidad de luz que se puede atrapar y el cual fué propuesto desde los años 80.

Los científicos Dennis Callahan, Jeremy Munday y Harry Atwater del Instituto de Tecnología de California, han reportado el nuevo método de atrapar luz más allá del límite convencional en el más reciente número de la revista Nano Letters.

Para superar el límite de absorción, es necesario incrementar la densidad de los estados ópticos de los semiconductores, como el silicio.

Para superar el límite de absorción, es necesario incrementar la densidad de los estados ópticos de los semiconductores, como el silicio.

Su trabajo se centra en un estudio publicado en 1982 que propone un límite termodinámico sobre qué cantidad del rango de longitud de onda óptico puede ser absorbido por las placas de los semiconductores. El límite requiere que estos materiales sean lo menos grueso posible para que así puedan absorber la luz de todo el espectro solar. Como resultado, los semiconductores de celdas solares de hoy están generalmente diseñados con gruesas capas absorbentes con el fin de atrapar la mayor cantidad de sol posible, que puede ser costoso y complicado de fabricar.

Análisis anteriores sobre el límite de luz que se puede atrapar (el cual suele ser llamado también como el límite de rayos ópticos) ha mostrado que algunas celdas solares tienen la capacidad de exceder dicho límite tomando ventaja de las interacciones de las ondas y, a pesar de que los investigadores han explicado teóricamente cómo es que esto puede suceder en casos aislados y particulares, no existe actualmente una explicación general que pueda ser extendida a la amplia variedad de propuestas que existen para sobrepasar el límite mencionado.

Ahora, los científicos del Instituto de Tecnología de California, han propuesto que la clave para superar el límite se encuentra en lograr incrementar la densidad de los estados ópticos de los semiconductores. Porque cada uno de estos estados pueden aceptar luz de un cierto tipo de longitud de onda y teniendo más de estos estados es posible entonces aumentar la cantidad de luz que un material puede absorber.

“No está muy claro cómo pensar y diseñar celdas solares que potencialmente puedan exceder el límite… todo lo que puedes hacer es pensar una forma de incrementar la densidad de los estados ópticos y luego rellenar o poblar estos estados. Hay un montón de herramientas y métodos que han sido diseñados para incrementar la densidad de los estados ópticos para otras áreas de investigación, como por ejemplo para comunicación y óptica cuántica. Pero ahora los investigadores de celdas solares han tomado esta idea y la han puesto en el contexto apropiado con la ayuda de nuestro trabajo. También, si alguien está trabajando con un tipo en particular de celdas solares, ahora debe ser claro si tiene el potencial de exceder (o no) el límite previo”, ha dicho Denis Callahan.

El espectro solar se compone de las ondas de luz que el Sol emite en diferentes longitudes de onda. Dicha longitud define a su vez la energía de una onda. Entre más energética es una onda, menor longitud tendrá, y entonces la luz se tornará azulada. Y si, por el contrario, la onda es más larga, menor energía tendrá, y se verá rojiza.

Los investigadores demostraron también que cualquier material semiconductor puede exceder el límite para absorber luz (mencionado en párrafos anteriores) cuando la densidad local de los estados ópticos (LDOS) de sus capas de absorción exceden la mayor parte de los estados ópticos de los materiales semiconductores. También mostraron que mejorando la densidad local de los estados ópticos (LDOS) -los estados ópticos absorben la luz- hacia un nivel necesario para absorber un 99,9% del espectro solar , es factible aún para semiconductores tan delgados que vayan de los 10 a los 100 nanómetros. Y esto resulta más que novedoso si lo comparamos con las capas que utilizan los semiconductores actuales y que se comercializan en el mercado.

Callahan ha comentado también que “nuestros resultados sugieren que si se puede diseñar el entorno electromagnético de la forma correcta, puede ser posible que podamos ir a capas tan delgadas que puedan llegar a los 10 nanómetros. Es sólo cuestión de cómo diseñarlos de manera correcta. Esto es ciértamente un reto, pero es algo en lo que actualmente estamos pensando”.

También ha mencionado que “una celda solar de 10 nanómetros es probable que sea impráctica por otras razones como la necesidad de crear muchas capas, recombinación de superficies, efectos cuánticos, etc, pero su creación sígue siendo una posibilidad real”.

Por último ha dicho que “actualmente estamos intentando encontar maneras de diseñar e incrementar la densidad de los estados ópticos pero con un diseño práctico de celdas solares. Ésta es una tarea complicada para materiales de alto índice como el silicón, pero estamos analizando muchas posibilidades y éstas prometen”.

Traducción y edición de Julio García. 

Fuente: www.physorg.com 

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