Los investigadores han desarrollado un nuevo tipo de aleación de semiconductores capaz de capturar la luz infrarroja cercana ubicada en el borde del espectro de luz visible.
Más fácil de fabricar y al menos un 25 menos costoso que las formulaciones anteriores, se cree que es el material más rentable del mundo que puede capturar luz infrarroja cercana y es compatible con los semiconductores de arseniuro de galio que se usan a menudo en concentradores fotovoltaicos.
"La energía fotovoltaica del concentrador podría impulsar a la próxima generación". Los concentradores fotovoltaicos reúnen y concentran la luz solar en pequeñas células solares de alta eficiencia fabricadas con arseniuro de galio o semiconductores de germanio. Están en camino de lograr tasas de eficiencia superiores al 50 por ciento, mientras que las células solares convencionales de panel plano de silicio se completan en los 20 medios.
"El silicio de panel plano está básicamente al máximo en términos de eficiencia", dice Rachel Goldman, profesora de ciencia e ingeniería de materiales, así como física en la Universidad de Michigan, cuyo laboratorio desarrolló la aleación. "El costo del silicio no baja y la eficiencia no aumenta. Concentrador fotovoltaico podría impulsar la próxima generación ".
Hoy existen variedades de concentradores fotovoltaicos. Están hechos de tres diferentes aleaciones de semiconductores en capas. Rociado sobre una oblea de semiconductor en un proceso llamado epitaxia de haz molecular, un poco como la pintura en aerosol con elementos individuales, cada capa tiene solo unas pocas micras de espesor. Las capas capturan diferentes partes del espectro solar; la luz que atraviesa una capa es capturada por la siguiente.
Pero la luz infrarroja cercana se desliza a través de estas celdas sin ser compartida. Durante años, los investigadores han estado trabajando hacia una esquiva aleación de "cuarta capa" que podría ser intercalada en las células para capturar esta luz. Es una tarea difícil; la aleación debe ser rentable, estable, duradera y sensible a la luz infrarroja, con una estructura atómica que coincida con las otras tres capas de la célula solar.
Obtener todas esas variables correctamente no es fácil, y hasta ahora, los investigadores se han visto obligados a utilizar fórmulas prohibitivamente caras que usan cinco elementos o más.
Para encontrar una mezcla más simple, el equipo de Goldman ideó un enfoque novedoso para controlar las diversas variables en el proceso. Combinaron métodos de medición en el terreno, incluida la difracción de rayos X realizada en la universidad y el análisis de haces de iones realizado en el Laboratorio Nacional de Los Álamos con modelos informáticos personalizados.
Usando este método, descubrieron que un tipo ligeramente diferente de molécula de arsénico se emparejaría más eficazmente con el bismuto. Pudieron ajustar la cantidad de nitrógeno y bismuto en la mezcla, lo que les permitió eliminar un paso de fabricación adicional que requerían las fórmulas anteriores. Y encontraron precisamente la temperatura adecuada que permitiría que los elementos se mezclaran sin problemas y se adhirieran al sustrato de forma segura.
"'Magia' no es una palabra que usamos a menudo como científicos de materiales", dice Goldman. "Pero así es como se sintió cuando finalmente lo hicimos bien".
El avance viene de la mano de otra innovación del laboratorio de Goldman que simplifica el proceso de "dopaje" utilizado para ajustar las propiedades eléctricas de las capas químicas en los semiconductores de arseniuro de galio.
Durante el dopaje, los fabricantes aplican una mezcla de sustancias químicas llamadas "impurezas de diseño" para cambiar la forma en que los semiconductores conducen la electricidad y les dan una polaridad positiva y negativa similar a los electrodos de una batería. Los agentes dopantes generalmente utilizados para los semiconductores de arseniuro de galio son el silicio en el lado negativo y el berilio en el lado positivo.
El berilio es un problema: es tóxico y cuesta alrededor de 10 veces más que los dopantes de silicio. El berilio también es sensible al calor, lo que limita la flexibilidad durante el proceso de fabricación. Pero el equipo descubrió que al reducir la cantidad de arsénico por debajo de los niveles que anteriormente se consideraban aceptables, podían "cambiar" la polaridad de los dopantes de silicio, lo que les permitía usar el elemento más barato y seguro para los lados positivo y negativo.
"Ser capaz de cambiar la polaridad del operador es algo así como 'ambidexteridad atómica'", dice Richard Field, un ex estudiante de doctorado que trabajó en el proyecto. "Al igual que las personas con ambidexteridad nacida naturalmente, es bastante raro encontrar impurezas atómicas con esta capacidad".
Juntos, el mejor proceso de dopaje y la nueva aleación podrían hacer que los semiconductores utilizados en la fotovoltaica concentradora sean tan baratos como 30 en producción, un gran paso para hacer que las células de alta eficiencia sean prácticas para la generación de electricidad a gran escala.
"Básicamente, esto nos permite fabricar estos semiconductores con menos latas de pulverización atómica, y cada lata es significativamente menos costosa", dice Goldman. "En el mundo de la fabricación, ese tipo de simplificación es muy significativo. Estas nuevas aleaciones y dopantes también son más estables, lo que brinda a los fabricantes más flexibilidad a medida que los semiconductores avanzan en el proceso de fabricación ".
La nueva aleación se detalla en un documento que aparece en la revista Applied Physics Letters. La National Science Foundation y la Oficina de Investigación de Estudiantes de Posgrado de la Secretaría de Energía de Estados Unidos apoyaron la investigación.
Fuente: Universidad de Michigan
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