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Diminutas células solares
Investigadores de la Universidad de Harvard han creado células solares que son una pequeña fracción del ancho de un cabello humano. Las células, cada una hecha de un solo nanoalambre de solo 300 nanómetros de ancho, podrían ser útiles para alimentar pequeños sensores o robots para monitoreo ambiental o aplicaciones militares. Es más, el diseño básico de las células solares podría ser útil en la producción de energía a gran escala, lo que podría reducir el costo de generar electricidad a partir del sol.
Nano solar: Sección transversal de un nanoalambre de silicio que convierte la luz en electricidad. La imagen se ha coloreado para resaltar las capas funcionales del dispositivo. Cada capa está hecha de silicio modificado con otro material que le confiere propiedades electrónicas distintas. La capa exterior de dióxido de silicio protege las capas activas del interior. Cuando un electrón dentro del nanoalambre es liberado por un fotón, deja un agujero positivo detrás de él; la capa azul y el núcleo rojo separan los electrones de los huecos. Una vez que se separan, los electrones se pueden recolectar para crear una corriente. La capa amarilla separa la capa azul de la capa roja.
Cada una de las nuevas células solares es un nanoalambre con un núcleo de silicio cristalino y varias capas concéntricas de silicio con diferentes propiedades electrónicas. Estas capas realizan las mismas funciones que las capas semiconductoras de las células solares convencionales, absorbiendo luz y capturando electrones para crear electricidad. Para hacer las células Charles Querido, profesor de química en la Universidad de Harvard, modificó los métodos que había utilizado anteriormente para fabricar nanocables que pudieran servir como sensores o transistores. Luego demostró que sus células solares pueden alimentar dos de sus primeros dispositivos de nanocables, un sensor de pH y un conjunto de transistores.
Este documento proporciona el primer ejemplo del uso de un solo nanoalambre de silicio para recolectar energía solar, dice Zhong Lin Wang , profesor de ciencia e ingeniería de materiales en Georgia Tech. Él llama al trabajo de Lieber investigación revolucionaria en el campo de la nanotecnología.
Al principio, las células solares de nanocables probablemente serán útiles en aplicaciones de nicho donde su pequeño tamaño es clave, como sensores extremadamente pequeños o robots cuyos sensores y componentes electrónicos podrían beneficiarse de una fuente de energía integrada. Recientemente se ha hablado mucho sobre la fabricación de nanomáquinas y nanosistemas independientes, dice Phaedon Avouris , miembro de IBM Research. El problema siempre ha sido, ¿cómo los vas a potenciar? Si desea tener un nanosistema independiente que sea autónomo, que no esté conectado a una fuente de alimentación central, entonces necesita algo como esto.
El objetivo final sería construir componentes electrónicos que puedan autoensamblarse en dispositivos que de otra manera no sería posible fabricar. (Lieber ha demostrado que es posible fabricar dichos componentes a partir de nanocables, que luego se pueden ensamblar en arreglos regulares en solución). Nos gustaría incorporar memoria, un nanoprocesador, tal vez un sensor y una fuente de energía para impulsar eso, Lieber dice. Si intenta unir todas estas piezas con tecnología convencional, se vuelve bastante engorroso.
Además de alimentar máquinas diminutas, las células solares hechas de cables microscópicos podrían eventualmente agruparse en grandes conjuntos para reemplazar los paneles solares convencionales en los tejados. La investigación de Lieber aún se encuentra en una etapa temprana, pero sus nuevos nanocables sugieren que una célula solar teórica propuesta por investigadores del Instituto de Tecnología de California podría ser viable. Harry Atwater , profesor de física aplicada y ciencia de los materiales en Caltech, y Nathan Lewis , un profesor de química allí, han sugerido que las células solares hechas de cables microscópicos serían mucho más baratas que las células solares convencionales, ya que podrían estar hechas de materiales menos costosos, incluido, dice Lewis, óxido.
Hasta ahora, las células solares fabricadas con materiales tan baratos no han sido prácticas debido a una contradicción fundamental en sus requisitos de diseño. Para ser eficientes, las células solares deben hacer bien al menos dos cosas. Primero, deben absorber la luz, por lo que necesitan materiales activos lo suficientemente gruesos como para que la luz no pueda pasar a través de ellos. Pero también necesitan recolectar los electrones que sueltan los fotones absorbidos. Para esto, los materiales extremadamente delgados suelen ser mejores; de lo contrario, los electrones pueden quedar atrapados dentro del material. Una forma de reconciliar estas restricciones de diseño en competencia es hacer capas de material relativamente gruesas pero usar materiales cristalinos extremadamente puros que carecen de los defectos e impurezas que pueden atrapar electrones. Dichos materiales funcionan bien, pero son caros, lo que mantiene alto el precio de los paneles solares.
Los nanocables como los que utilizó Lieber para sus células solares ofrecen una alternativa. Los nanocables pueden absorber cantidades significativas de luz a lo largo de su longitud. Al mismo tiempo, los electrones solo tienen que moverse una corta distancia en el nanoalambre, de una capa concéntrica de material a otra, para ser recolectados. (Las capas sirven para separar los electrones de sus homólogos positivos, los huecos, lo que permite que se recojan los electrones). Dado que los materiales son delgados, las posibilidades de que un electrón quede atrapado por un defecto antes de escapar de una capa a la siguiente son bajas. por lo que es posible utilizar materiales más baratos con más defectos.
Lieber demostró que los nanocables pueden producir electricidad, pero quedan varios desafíos antes de que lleguen a las células solares comerciales. Lieber ha probado solo una pequeña cantidad de células solares de nanocables. Para aplicaciones a gran escala, los nanocables deberían cultivarse químicamente en matrices densas. Atwater y Lewis recientemente dieron pasos en esta dirección, publicando el mes pasado dos artículos en los que describen conjuntos densos y crecientes de alambres microscópicos, pero alambres sin las múltiples capas que tienen los de Lieber. Junto con un electrolito líquido, los cables generaban electricidad a partir de la luz. Dado que puede resultar más fácil fabricar células solares de estado sólido como las de Lieber, Lewis y Atwater están trabajando para producir conjuntos de cables con múltiples capas.
La limitación más significativa del trabajo de ambos grupos es la escasa eficiencia de sus células solares. Por ejemplo, las células de Lieber convirtieron el 3,4 por ciento de la luz entrante en electricidad. Si bien ese es un número alentador para las células solares de prueba de concepto en el laboratorio, está muy lejos de la eficiencia de más del 20 por ciento de los paneles solares de silicio convencionales. Incluso con la ventaja potencial de los materiales más baratos, las células solares basadas en cables probablemente necesitarían tener una eficiencia de aproximadamente un 10 por ciento si fueran a competir con la tecnología existente. Los próximos pasos de los investigadores incluyen encontrar formas de hacer arreglos de cables más densos para absorber más luz y, en el caso de Lieber, encontrar formas de generar un mayor voltaje a partir de células solares de nanocables.