El límite de superabsorción solar de una célula fotovoltaica nanotecnológica

Dibujo20130429 Solar superabsorption of single nanostructures with Si the absorbing materials

La célula solar ideal para aplicaciones fotovoltaicas debe maximizar la absorción solar con un volumen mínimo de materiales activos (Si, a-Si, CdTe, …). El límite teórico se denomina límite de superabsorción solar y ha sido calculado por primera vez por Yiling Yu (Universidad Estatal de Carolina del Norte, Raleigh, EEUU) y dos colegas utilizando una nueva teoría para el análisis de la absorción de luz por una nanoestructura semiconductora, que denominan teoría de modos evanescentes acoplados (CLMT, por Coupled Leaky Mode Theory). Esta teoría se basa en un modelo intuitivo bastante general que conduce resultados similares a los de la teoría de Mie, pero con un coste computacional mucho más bajo (por cierto, en ambos hay que recurrir a simulaciones numéricas por ordenador para calcular el límite de superabsorción para un material concreto y una geometría dada). El límite de superabsorción solar se define como el volumen mínimo de material absorbente en cada elemento unitario de una nanoestructura periódica que garantiza una absorción completa de la luz solar en el espacio ocupado por dicho elemento unitario. Como en la práctica conseguir una absorción del 100% es imposible en todo el intervalo de longitudes de onda, se considera que al menos se alcance una absorción del 90%. El artículo técnico es Yiling Yu, Lujun Huang, Linyou Cao, “Solar Superabsorption of Semiconductor Materials,” arXiv:1304.6975, 25 Apr 2013.

Dibujo20130429 Mapping solar absorption in the variable space of leaky modes with Si the absorbing materials - Solar superabsorption limit of large scale nanostructure arrays

La gráfica de la derecha-arriba de esta figura muestra la absorción solar para un sólo modo evanescente en una nanoestructura de silicio en función de las pérdidas por radiación, calculada usando la nueva teoría CLMT (supuesto una frecuencia de resonancia de 0,1 veces el diámetro de la estructura. A partir de esta figura se puede obtener la absorción solar máxima para cada longitud de onda, como se muestra en la gráfica derecha-abajo. Para el silicio, un modo evanescente con una longitud de onda resonante entre 400 y 800 nm presenta pérdidas por radiación en el rango de 0,01 a 0,1. Conocer este valor en dicho rango permite diseñar estructuras que maximicen la absorción de la luz solar. La gráfica de la izquierda en la figura de arriba muestra muestra el límite de superabsorción para nanoestructuras periódicas en forma de matriz de Si (silicio), a-Si (silicio amorfo) y CdTe (telururo de cadmio) en función del periodo de repetición L de la estructura.

En resumen, un artículo interesante con una técnica que permitirá mejorar el diseño rápido y el prototipado de células fotovoltaicas nanofabricadas.