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Nanopilares que atrapan más luz
Un material con una nanoestructura novedosa desarrollada por investigadores de la Universidad de California, Berkeley, podría conducir a detectores de luz y células solares de menor costo. Absorbe la luz tan bien como las células solares comerciales de película delgada, pero utiliza mucho menos material semiconductor.
Contra viento y marea: Una imagen de microscopio electrónico de barrido muestra nanopilares de germanio de doble diámetro que atrapan la luz.
El nuevo material consta de una serie de nanopilares que son estrechos en la parte superior y más gruesos en la parte inferior. Las tapas estrechas permiten que la luz penetre en la matriz sin reflejarse. El fondo más grueso absorbe la luz para que se pueda convertir en electricidad. El diseño absorbe el 99 por ciento de la luz visible, en comparación con el 85 por ciento absorbido por un diseño anterior en el que los nanopilares tenían el mismo grosor en toda su longitud. Una película plana ordinaria del material absorbería solo el 15 por ciento de la luz.
Estructuras como nanocables, microalambres y nanopilares son excelentes para atrapar la luz, reduciendo la cantidad de material semiconductor necesario, dice Erik Garnett , investigador de la Universidad de Stanford. Los nanocables y nanopilares utilizan de la mitad a un tercio del material semiconductor requerido por las células solares de película delgada hechas de materiales como el telururo de cadmio, y tan solo el 1 por ciento del material utilizado en las células de silicio cristalino, dice. Estas estructuras también facilitan la extracción de carga del material. En general, estas mejoras podrían hacer que la energía solar sea más barata. Reducir los costos de material mientras se logra la misma cantidad de absorción de luz y, por lo tanto, la eficiencia es muy importante para las células solares, dice Fan de Shanhui , profesor de ingeniería eléctrica en Stanford.
Muchos materiales nanoestructurados tienen diseños complejos y requieren métodos de fabricación engorrosos para depositar múltiples capas, dice Ali Javey , profesor de ingeniería eléctrica y ciencias de la computación en UC Berkeley que lidera el nuevo trabajo, que se publica en la revista Nano letras . Él dice que la técnica para hacer crecer los nanopilares es relativamente simple y de bajo costo.
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 crear un molde para los poros en un papel de aluminio de 2,5 milímetros de grosor. Primero, anodizan la película para crear una disposición de poros de 60 nanómetros de ancho y un micrómetro de profundidad de largo. Luego exponen la lámina al ácido fosfórico para ensanchar los poros a 130 nanómetros; cuanto más tiempo se expone la lámina al ácido, más anchos se vuelven los poros. Anodizar la película nuevamente hace que los poros existentes sean un micrómetro más profundos, y esta longitud adicional tiene el diámetro original de 60 nanómetros. Luego, se depositan trazas de oro en estos poros como catalizador para hacer crecer cristales de material semiconductor, en este caso germanio, que es bueno para los fotodetectores, dentro de cada poro. Finalmente, parte del aluminio se elimina, dejando una serie de nanopilares de germanio incrustados en una membrana de óxido de aluminio.
Javey dice que este método para fabricar nanopilares de diferentes diámetros y formas es simple en comparación con otros enfoques, que implican un complicado ensamblaje de materiales capa por capa y materiales complejos que combinan alambres con nanopartículas metálicas.
Garnett está de acuerdo en que el método de Javey podría ser barato, pero dice que aún es demasiado pronto para saber si el método puede traducirse en un proceso de fabricación a gran escala. Lo más emocionante es la prueba de que la nanoestructuración puede aumentar drásticamente la absorción, dice.
Al ajustar la disposición de los pilares, sería posible fabricar materiales que absorben longitudes de onda de luz infrarroja más largas, lo que sería útil para fabricar detectores de luz infrarroja económicos y eficientes. Desde que envié el Nano letras En este artículo, los investigadores también han utilizado la técnica para fabricar nanopilares de telururo de cadmio, un material más adecuado para las células solares que el germanio.