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Capas superiores de nanocables para mejorar las celdas fotovoltaicas de silicio

Los nanocables ofrecen propiedades eléctricas y ópticas singulares que emanan de su minúsculo tamaño. Científicos financiados con fondos europeos han logrado grandes progresos mediante el empleo de estos materiales minúsculos en celdas fotovoltaicas innovadoras.

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El silicio continúa su reinado en la industria fotovoltaica. No obstante, las tecnologías emergentes lo emplean de maneras innovadoras. El proyecto Nano-Tandem, financiado con fondos europeos, se propuso aprovechar el muy fiable silicio como celda base en conjunción con nanocables de semiconductores III-V (aleaciones de elementos del grupo III y grupo V de la tabla periódica) como la celda superior para eliminar los obstáculos con el fin de aumentar la eficiencia a un coste menor. Nanocables con funciones y a costes inéditos Los nanocables son hilos minúsculos de unos cien nanómetros de anchura y diez micrómetros de longitud. La celda tándem los emplea en una configuración vertical de cerca de seis y siete millones de nanocables por milímetro cuadrado de celda. Para hacer crecer los nanocables directamente sobre el silicio se empleó «epitaxia selectiva asistida por plantillas» (TASE, por sus siglas en inglés). Mediante este proceso, los investigadores demostraron uniones activas p-n en nanocables de fosfuro de galio e indio (InGaP) crecidos con TASE. La nucleación de nanocables en un sustrato III-V en lugar de uno de silicio multiplicó por siete la eficiencia de las celdas fotovoltaicas de nanocables de fosfuro de indio (InP), un aumento récord del 15 %. Los nanocables funcionales precisan diodos túnel, lo cual no ha resultado sencillo de obtener. La tecnología de Nano-Tandem eliminó este obstáculo y demostró la capacidad de producir diodos túnel de nanocables InP/InGaP por vez primera. La caracterización de los diodos túnel por corriente inducida mediante haz de electrones (EBIC, por sus siglas en inglés) fue fundamental para mejorar la composición de las aleaciones y, por tanto, la calidad de los diodos. El equipo incrustó los nanocables en el silicio mediante una membrana polimérica que acto seguido retiraron para que quedaran adheridos a su nueva celda base. No se apreciaron cambios en los sustratos tras tres usos, lo cual permitió utilizarlos más y generar un ahorro adicional. Por último, se optimizó una técnica muy prometedora, el aerotaxy, que permite crecer los nanocables a partir de partículas semilla directamente en la fase gaseosa sin necesidad de emplear un sustrato. La velocidad de crecimiento es entre 100 y 1 000 veces mayor que las logradas mediante crecimiento epitaxial convencional, lo cual también generaría un ahorro extraordinario. En palabras del coordinador del proyecto Lars Samuelson: «La conformación de los nanocables de aerotaxy en una membrana fue complicado». Los científicos de Nano-Tandem aprovecharon un proceso de tintura especial para alinear los nanocables. Gracias a esta técnica de alto rendimiento, el equipo fabricó uniones p-n de nanocables de arseniuro de galio (GaAs) de alta calidad. Según los jefes del proyecto: «El precio que se calcula para un módulo tándem de nanocables GaAs/Si con un 28 % de eficiencia producido mediante el proceso aerotaxy es de 0,296 dólares estadounidenses por vatio. El precio calculado para un módulo de silicio cristalino convencional es de 0,39 dólares estadounidenses por vatio para un módulo con una eficiencia del 25 %». Más eficiencia a un coste menor logrará que la tecnología de celda fotovoltaica de Nano-Tandem lidere a escala mundial el sector de la energías renovables. Atrapamiento de luz innovador para celdas fotovoltaicas basadas en nanocables Las celdas fotovoltaicas de silicio convencionales de alta eficiencia emplean mecanismos de atrapamiento de luz que aprovechan una estructuración frontal para impulsar la absorción. Esto no es posible en las celdas fotovoltaicas tándem de nanocable/silicio, y el equipo de Nano-Tandem generó una estructura de atrapamiento de luz fotónica trasera. Su empleo ha dado lugar a una eficiencia en la conversión sin precedentes (33,3 %) con una celda fotovoltaica tándem III-V/silicio. Aplicaciones fotovoltaicas y en otros campos Los progresos en caracterización y optimización de procesos del equipo de Nano-Tandem han mejorado la funcionalidad y el crecimiento de los nanocables y han aumentado la eficiencia de las celdas inferiores de silicio. En las treinta y ocho publicaciones científicas revisadas por pares que ha generado el proyecto pueden consultarse los resultados con mayor detalle. Sus logros allanan el camino hacia el logro de celdas fotovoltaicas tándem de nanocables III-V/silicio de bajo coste y gran superficie y el liderazgo europeo en un mercado fotovoltaico en expansión. También brindarán innovación en dispositivos led, microelectrónicos y sensores.

Palabras clave

Nano-Tandem, nanocable, silicio, celda fotovoltaica, tándem, eficiencia, III-V, aerotaxy, diodo túnel, bajo coste, TASE

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