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La clave para mejores células solares: espejos llenos de baches
Las células solares de película fina sensibilizadas con colorante son más baratas de fabricar que las células de silicio convencionales, pero siguen siendo relativamente ineficientes.
Nanodomos: Una serie de cúpulas de cuarzo de 600 nanómetros de ancho y 200 nanómetros de alto (arriba) se presiona en una película delgada de dióxido de titanio para imprimir agujeros en la película (abajo). Llenar los agujeros con plata ayuda a atrapar más luz dentro de las células solares a base de tinte.
Ahora, los investigadores de la Universidad de Stanford han utilizado un reflector de metal especialmente diseñado para aumentar la eficiencia de las células solares sensibilizadas con colorante de electrolito sólido hasta en un 20 por ciento. El reflector es una fina película de plata con una serie de protuberancias a nanoescala. Los investigadores utilizan la película para recubrir la superficie posterior de las células; la película ayuda a atrapar más luz dentro de las células. Obtenemos entre un 5 y un 20 por ciento más de absorción dependiendo del tinte, dice Michael McGehee , director del Centro de Energía Fotovoltaica Molecular Avanzada de Stanford. McGehee dirigió la investigación, que se publicó en línea esta semana en la revista Materiales energéticos avanzados .
Las celdas de película delgada sensibilizadas con colorante con una eficiencia de conversión de luz a electricidad de alrededor del 11 por ciento hicieron recientemente su debut comercial. Sin embargo, utilizan electrolitos líquidos que son volátiles y podrían tener fugas. Las celdas con electrolitos sólidos solo han mostrado eficiencias de alrededor del 5 por ciento.
Tomaron la mejor celda de tinte de estado sólido que pudieron y la mejoraron, dice David Ginger , profesor de química en la Universidad de Washington, de los investigadores de Stanford. Aún mejor, lo hicieron utilizando tecnología y métodos que potencialmente podrían usarse en un entorno de producción.
Las células solares a base de tinte están compuestas de nanocristales semiconductores (típicamente dióxido de titanio o titania) que están recubiertos con moléculas de tinte y intercalados, junto con un electrolito, entre láminas de vidrio o plástico. El tinte absorbe la luz y crea electrones y agujeros cargados positivamente. Los cristales transfieren los electrones a un electrodo para producir una corriente eléctrica, mientras que el electrolito lleva los agujeros al otro electrodo.
Sin embargo, los electrolitos sólidos no son tan eficientes como los líquidos, y los electrones y los huecos se recombinan más fácilmente. Para evitar eso, la capa de titania es muy delgada, típicamente dos micrómetros. Pero cuanto más delgadas son las células, más rápidamente pasa la luz a través de ellas sin ser absorbida. Los esfuerzos de investigación para mejorar la eficiencia de estas células se han centrado típicamente en desarrollar tintes más fuertes y nuevos tipos de nanocristales. Pero McGehee y sus colegas utilizaron reflectores plasmónicos para mejorar la eficiencia de sus células.
Los plasmones son las oscilaciones de los electrones en una superficie metálica cuando son excitados por la luz. Al controlar la forma de la superficie, puede controlar el tipo de plasmones creados, lo que a su vez influye en cómo la luz interactúa con el material.
El reflector fabricado en Stanford tiene protuberancias que crean plasmones, que giran algunos de los rayos de luz entrantes en 90 grados. Entonces, en lugar de rebotar en la plata y salir de la celda, se dispersa más luz de un lado a otro dentro de la celda, lo que le da al tinte más tiempo para absorberlo.
Los investigadores fabricaron sus dispositivos recubriendo vidrio con un electrodo conductor transparente sobre el que depositaron una capa de nanopartículas de titania. Luego tomaron una pieza de cuarzo cubierta con cúpulas de 600 nanómetros de ancho y la presionaron en la titania, realizándola efectivamente con pequeños agujeros. Finalmente, agregaron capas de tinte y plata.
Esta es la primera vez que se han aplicado estructuras plasmónicas a células solares sensibilizadas con colorante en estado sólido, y se ha informado de un aumento sustancial en la eficiencia celular, dice Kylie Catchpole , investigador de la Universidad Nacional de Australia. Catchpole está utilizando plasmónicos que atrapan la luz para aumentar la eficiencia de otros tipos de células solares de película delgada.
Aún queda mucho trabajo por hacer antes de que la tecnología llegue al mercado, dice Martin Green , que trabaja en energía fotovoltaica que atrapa la luz en la Universidad de Nueva Gales del Sur. Green dice que las células sensibilizadas con colorante han atraído un enorme interés de la comunidad académica, pero han tenido [poco] impacto comercial debido a la baja eficiencia y la dudosa durabilidad, en comparación con las células comerciales. Las células de electrolitos líquidos se han introducido en el mercado, pero Green también se muestra escéptico sobre sus perspectivas.
McGehee, sin embargo, confía en que serán posibles eficiencias lo suficientemente altas. Los investigadores ahora están buscando crear reflectores con protuberancias de diferentes tamaños, alturas, espaciado y patrones. Al ajustar estos factores, deberían poder aumentar la cantidad de luz que absorben las células. También podrían explorar diferentes tintes. Definitivamente parece haber un camino claro para aumentar la eficiencia en más del 20 por ciento, dice.