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Nanopilares que atrapan más luz – avances en energía solar

Grueso y fino: Una imagen de miscroscopio electrónico de rastreo muestra los nanopilares de germanio de doble diámetro capaces de atrapar la luz. Fuente: Ali Javey, UC Berkeley




Un nuevo material con una novedosa estructura desarrollado por un equipo de investigadores de la Universidad de California, Berkeley, podría llevar al desarrollo de células solares y detectores de luz de bajo coste. Este material absorbe la luz tan bien como las células solares comerciales de película fina, pero usa mucho menos material semiconductor.

El nuevo material consiste en una matriz de nanopilares que son delgados en la parte superior y gruesos en la parte inferior. La parte superior delgada facilita que la luz penetre dentro de la matriz sin ser reflejada. La parte inferior más gruesa absorbe la luz para que sea convertida en electricidad. Este diseño absorbe el 99% de la luz visible, en comparación con el 85% absorbido por un diseño anterior, en el que los nanopilares tenían el mismo grosor en toda su largada. Una película plana ordinaria del mismo material absorbería únicamente el 15% de la luz.

Estructuras tales como los nanohilos, microhilos y nanopilares son excelentes para atrapar la luz, reduciendo la cantidad de material semiconductor necesaria, indica Erik Garnett, investigador de la Universidad de Stanford. Los Nanocables y los nanopilares y utilizan entre la mitad y un tercio de la cantidad de material semiconductor requerido por una película delgada de células solares hechas de materiales como el teluro de cadmio, y tan solo un 1 por ciento del material utilizado en las células de silicio cristalino, señala él. Estas estructuras también hacen que sea más fácil de extraer la carga del material. En general, estas mejoras podrían hacer la energía solar más barata. "La reducción de los costes materiales, al mismo tiempo que se consigue la misma cantidad de luz absorbida, es decir, la eficiencia, es muy importante para las células solares", señala Shanhui Fan, profesor de ingeniería eléctrica de Stanford.

Muchos materiales nanoestructurados tienen diseños complejos y requieren de engorrosos métodos de fabricación para depositar las múltiples capas, señala Ali Javey, profesor de ingeniería eléctrica de ingeniería informática de la UC Berkeley, quien dirige el nuevo trabajo publicado en la revista Nano Letters. Él destaca que la técnica para hacer crecer los nanopilares es relativamente simple y de bajo coste.

Los investigadores fabrican nanopilares de dos micrómetros de altura, con bases de 130 nanómetros de diámetro y puntas de 60 nanómetros de diámetro. Empiezan por la creación de un molde para los poros en una lámina de aluminio de 2,5 milímetros de grosor. Primero anodizan la película para crear un conjunto de poros de 60 nanómetros de ancho y un micrómetro de largo y profundo. A continuación, exponen el papel de aluminio a ácido fosfórico para ampliar los poros hasta los 130 nanómetros--cuánto más tiempo esté expuesta la lámina al ácido, más grandes serán los poros conseguidos. Anodizando de nuevo el film, hacen los poros existentes un micrómetro más profundos, y esta longitud adicional tiene el diámetro inicial de 60 nanómetros. En el siguiente paso, se depositan trazas de oro en los poros como catalizador para hacer crecer cristales de material semiconductor--en este caso germanio, que es bueno para los fotodectores--dentro de cada poro. Por último, se esculpe parte del aluminio, dejando atrás una serie de nanopilares de germanio incrustados en una membrana de óxido de aluminio.

Javey señala que este método para fabricar nanopilares de diferentes diámetros y formas es simple en comparación con otros enfoques, que implican un ensamblaje capa por capa de material complicado y también materiales complejos que combinan los cables con nanopartículas metálicas.

Garnett está de acuerdo en que el método de Javey podría ser barato, pero indica que todavía es demasiado pronto para saber si el método se podrá traducir en un proceso de fabricación a gran escala. "Lo más emocionante es la demostración de que la nanoestructuración puede aumentar drásticamente la absorción", afirma él.

Ajustando la disposición de los pilares, podría ser posible fabricar materiales que absorban luz infrarroja de longitud de onda más larga, lo que sería útil para la fabricación de detectores de luz infrarroja baratos y eficientes. Desde que enviaron el documento a Nano Letters, los investigadores también han utilizado esta técnica para fabricar nanopilares de teluro de cadmio, un material más adecuado que el germanio para las células solares.

Por Prachi Patel
Traducido por Joan Minguet (Opinno)
Articulo original

Etiquetado en: ciencia nuevas tecnologías

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