Potencia récord para la nueva tecnología solar flexible
El silicio domina el panorama de la energía solar, pero no es el mejor material para fabricar células solares delgadas y livianas necesarias para satélites y drones.
Los materiales semiconductores atómicamente delgados, como el diseleniuro de tungsteno y el disulfuro de molibdeno, que ya se están considerando para la electrónica de próxima generación, son prometedores para las células solares ultradelgadas de bajo costo que también pueden ser flexibles. Y ahora, los ingenieros han fabricado células solares de diseleniuro de tungsteno que cuentan con una relación potencia por peso a la par con las tecnologías establecidas de células solares de película delgada.
Las células solares flexibles reportadas en la revista Nature Communications tienen una eficiencia de conversión de luz a electricidad del 5.1 por ciento, la más alta reportada para células flexibles de este tipo. Su potencia específica, por su parte, es de 4,4 W/g, comparable con las células solares de película delgada, como las hechas de teluro de cadmio, seleniuro de cobre indio galio, silicio amorfoy semiconductores III-V. Con una mayor ingeniería para reducir el espesor del sustrato y aumentar la eficiencia, la tecnología tiene el potencial de llegar a 46 W / g, "mucho más allá de lo que se ha demostrado para otras tecnologías fotovoltaicas", dice Koosha Nassiri Nazif,un ingeniero eléctrico de la Universidad de Stanford que dirigió el trabajo con su colega Alwin Daus.
Es mil veces más delgado que el silicio pero con la misma cantidad de absorción que una oblea de silicio estándar.
La eficiencia del silicio es difícil de superar por el costo, y los costos de los paneles solares de silicio han estado disminuyendo cada año. Pero "el silicio es bastante subóptimo para aplicaciones emergentes", dice Nassiri Nazif. Tales aplicaciones incluyen electrónica portátil y conformable, ventanas inteligentes y otros usos arquitectónicos, vehículos aéreos no tripulados y vehículos eléctricos. "Otra aplicación importante es el Internet de las Cosas",dice, "donde puede extender la vida útil de la batería o eliminar por completo la necesidad de baterías para alimentar pequeños sensores y dispositivos".
La alta potencia específica es fundamental para esos usos. Las tecnologías de película delgada de hoy en día y las células solares de perovskita más nuevas tienen una potencia específica más alta que el silicio, con perovskitas que mantienen el récord en 29 W / g.
Pero el diseleniuro de tungsteno y el disulfuro de molibdeno, que pertenecen a una clase de materiales conocidos como dicalcogenuros de metales de transición (TMD), tienen ventajas sobre otros materiales. Son más ligeras que las células CdTe o CIGS de película delgada utilizadas en la industria aeroespacial ahora. También son más estables que las perovskitas y los materiales fotovoltaicos orgánicos, y son más respetuosos con el medio ambiente que las perovskitas que contienen plomo.
Además, los materiales TMD cuentan con algunas de las capacidades de absorción de luz más altas de cualquier material fotovoltaico. "Así que puedes tener una capa ultrafina mil veces más delgada que el silicio y aun así tener la misma cantidad de absorción con un diseño óptico adecuado", dice Nassiri Nazif.
Sin embargo, las mejores células solares TMD hasta ahora han tenido eficiencias inferiores al 3%, y menos del 0,7% cuando se fabrican en un sustrato ligero y flexible. La eficiencia teórica de los materiales, sin embargo, es del 27%. Daus dice que simplemente son más nuevos en la escena y necesitan más ingeniería pesada para mejorar la eficiencia. Todos los materiales fotovoltaicos se enfrentan a desafíos de extracción de carga. Es decir, una vez que el material absorbe un fotón y produce electrones y agujeros, esos portadores de carga deben extraerse rápidamente antes de que puedan recombinarse.
El truco es encontrar el material de contacto adecuado para transportar los portadores de carga desde el semiconductor hasta los electrodos. Los investigadores eligieron una hoja de grafeno transparente para eso. Luego lo recubrieron con una capa de óxido de molibdeno, que también es transparente y mejora la capacidad del grafeno para extraer portadores de carga, explica Daus.
Otro avance clave que les permite fabricar células solares flexibles de alta calidad es el método de transferencia que han desarrollado, agrega. Primero depositan escamas de diseleniuro de tungsteno en un sustrato de silicio, depositan electrodos de oro en él y luego lo recubren con un sustrato plástico delgado y flexible. Luego ponen todo el conjunto en un baño de agua para despegar suavemente la estructura flexible del silicio. Finalmente, voltean la estructura para que el diseleniuro de tungsteno esté en la parte superior, y lo recubren con el grafeno y el óxido de molibdeno. Todo el dispositivo al final tiene solo 350 nm de grosor.
Las células solares son diminutas en este punto, señala Nassiri Nazif, alrededor de 100 x 100 μm. "Para llegar al punto en que se pueda comercializar, necesitamos al menos dispositivos de 1 x 1 cm", dice. "La buena noticia es que ya se ha demostrado un crecimiento de TMD de gran área y alta calidad".
Pero la mayoría de los esfuerzos se han centrado en la fabricación de materiales TMD monocapa para la electrónica, dice Daus, mientras que para las células solares se necesitan películas más gruesas de 100 a 200 nm. El equipo de Stanford ya ha comenzado a hacer películas de TMD de 2 x 2 cm, pero hasta ahora las películas más gruesas no han alcanzado la misma alta calidad que las escamas más pequeñas que usaron en el papel.
El silicio domina el panorama de la energía solar, pero no es el mejor material para fabricar células solares delgadas y livianas necesarias para satélites y drones.
Los materiales semiconductores atómicamente delgados, como el diseleniuro de tungsteno y el disulfuro de molibdeno, que ya se están considerando para la electrónica de próxima generación, son prometedores para las células solares ultradelgadas de bajo costo que también pueden ser flexibles. Y ahora, los ingenieros han fabricado células solares de diseleniuro de tungsteno que cuentan con una relación potencia por peso a la par con las tecnologías establecidas de células solares de película delgada.
Las células solares flexibles reportadas en la revista Nature Communications tienen una eficiencia de conversión de luz a electricidad del 5.1 por ciento, la más alta reportada para células flexibles de este tipo. Su potencia específica, por su parte, es de 4,4 W/g, comparable con las células solares de película delgada, como las hechas de teluro de cadmio, seleniuro de cobre indio galio, silicio amorfoy semiconductores III-V. Con una mayor ingeniería para reducir el espesor del sustrato y aumentar la eficiencia, la tecnología tiene el potencial de llegar a 46 W / g, "mucho más allá de lo que se ha demostrado para otras tecnologías fotovoltaicas", dice Koosha Nassiri Nazif,un ingeniero eléctrico de la Universidad de Stanford que dirigió el trabajo con su colega Alwin Daus.
Es mil veces más delgado que el silicio pero con la misma cantidad de absorción que una oblea de silicio estándar.
La eficiencia del silicio es difícil de superar por el costo, y los costos de los paneles solares de silicio han estado disminuyendo cada año. Pero "el silicio es bastante subóptimo para aplicaciones emergentes", dice Nassiri Nazif. Tales aplicaciones incluyen electrónica portátil y conformable, ventanas inteligentes y otros usos arquitectónicos, vehículos aéreos no tripulados y vehículos eléctricos. "Otra aplicación importante es el Internet de las Cosas",dice, "donde puede extender la vida útil de la batería o eliminar por completo la necesidad de baterías para alimentar pequeños sensores y dispositivos".
La alta potencia específica es fundamental para esos usos, dice. Las tecnologías de película delgada de hoy en día y las células solares de perovskita más nuevas tienen una potencia específica más alta que el silicio, con perovskitas que mantienen el récord en 29 W / g.
Pero el diseleniuro de tungsteno y el disulfuro de molibdeno, que pertenecen a una clase de materiales conocidos como dicalcogenuros de metales de transición (TMD), tienen ventajas sobre otros materiales. Son más ligeras que las células CdTe o CIGS de película delgada utilizadas en la industria aeroespacial ahora. También son más estables que las perovskitas y los materiales fotovoltaicos orgánicos, y son más respetuosos con el medio ambiente que las perovskitas que contienen plomo.
Además, los materiales TMD cuentan con algunas de las capacidades de absorción de luz más altas de cualquier material fotovoltaico. "Así que puedes tener una capa ultrafina mil veces más delgada que el silicio y aún así tener la misma cantidad de absorción con un diseño óptico adecuado", dice Nassiri Nazif.
Sin embargo, las mejores células solares TMD hasta ahora han tenido eficiencias inferiores al 3%, y menos del 0,7% cuando se fabrican en un sustrato ligero y flexible. La eficiencia teórica de los materiales, sin embargo, es del 27%. Daus dice que simplemente son más nuevos en la escena y necesitan más ingeniería pesada para mejorar la eficiencia. Todos los materiales fotovoltaicos se enfrentan a desafíos de extracción de carga. Es decir, una vez que el material absorbe un fotón y produce electrones y agujeros, esos portadores de carga deben extraerse rápidamente antes de que puedan recombinarse.
El truco es encontrar el material de contacto adecuado para transportar los portadores de carga desde el semiconductor hasta los electrodos. Los investigadores eligieron una hoja de grafeno transparente para eso. Luego lo recubrieron con una capa de óxido de molibdeno, que también es transparente y mejora la capacidad del grafeno para extraer portadores de carga, explica Daus.
Otro avance clave que les permite fabricar células solares flexibles de alta calidad es el método de transferencia que han desarrollado, agrega. Primero depositan escamas de diseleniuro de tungsteno en un sustrato de silicio, depositan electrodos de oro en él y luego lo recubren con un sustrato plástico delgado y flexible. Luego ponen todo el conjunto en un baño de agua para despegar suavemente la estructura flexible del silicio. Finalmente, voltean la estructura para que el diseleniuro de tungsteno esté en la parte superior, y lo recubren con el grafeno y el óxido de molibdeno. Todo el dispositivo al final tiene solo 350 nm de grosor.
Las células solares son diminutas en este punto, señala Nassiri Nazif, alrededor de 100 x 100 μm. "Para llegar al punto en que se pueda comercializar, necesitamos al menos dispositivos de 1 x 1 cm", dice. "La buena noticia es que ya se ha demostrado un crecimiento de TMD de gran área y alta calidad".
Pero la mayoría de los esfuerzos se han centrado en la fabricación de materiales TMD monocapa para la electrónica, dice Daus, mientras que para las células solares se necesitan películas más gruesas de 100 a 200 nm. El equipo de Stanford ya ha comenzado a hacer películas de TMD de 2 x 2 cm, pero hasta ahora las películas más gruesas no han alcanzado la misma alta calidad que las escamas más pequeñas que usaron en el papel.
Esperan que este trabajo inspire más investigación en el área de las células solares TMD. "Nuestro objetivo es construir una base para las aplicaciones fotovoltaicas de TMD", dice Nassiri Nazif. "Estos materiales tienen una ventaja fundamental sobre otras tecnologías. Si resolvemos los problemas de ingeniería, podría ser el material de elección para la tecnología fotovoltaica de próxima generación".
FUENTE: IEEE SPECTRUM
