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.

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Récord de eficiencia de conversión en una célula solar de matriz de nanohilos

Dibujo20130117 InP Nanowire Array Solar Cells Exceeding the Ray Optics Limit

Las células solares fotovoltaicas de silicio amorfo son baratas, pero su rendimiento es bajo (del 5% al 7%), mientras que las de silicio monocristalino son caras, con un rendimiento más alto (del 14% al 16%). Una alternativa barata y de buen rendimiento son las células solares de matriz de nanohilos de silicio. Jesper Wallentin (Universidad de Lund, Suecia) y sus colegas publican hoy en Science la célula solar de matriz de nanohilos más eficiente hasta el momento, pero que utiliza fosfuro de indio (InP) en lugar de Si para minimizar la recombinación entre electrones y huecos. El nuevo diseño ha logrado una eficiencia de conversión de η = 13,8% y una densidad de fotocorriente de Jsc = 24,6 mA/cm². Como los nanohilos de InP dopado en una estructura p-i-n sólo cubren el 12% de la superficie, su coste de fabricación es menor que el de una célula solar planar (en  la que el InP cubre el 100% del área), que alcanzan Jsc = 29,5 mA/cm², con un límite teórico de 34,5 mA/cm² (bajo la hipótesis de que cada fotón incidente con energía por encima de la banda prohibida del InP genera un par electrón-hueco). En la nueva célula solar, la óptica de rayos no es apropiada para describir la interacción de la luz con la estructura porque los nanohilos tienen un tamaño (unos 180 nm) por debajo la longitud de onda de la luz incidente; de hecho, aplicando la óptica de rayos se predice una fotocorriente teórica máxima sc de 4,2 mA/cm², casi seis veces menor que la obtenida en los experimentos. Por cierto, en el artículo proclaman haber fabricado sólo 7 células solares con el nuevo diseño, con una eficiencia media del 12,0% (desviación estándar del 1,4%). Su durabilidad y degradación con el tiempo se estima en un 0,5% en 6 meses (pero se requieren estudios a más largo tiempo). La escalabilidad del nuevo diseño parece fácil de lograr, pero tampoco ha sido demostrada (las células fabricadas tienen tamaño milimétrico y son poco útiles en una instalación fotovoltaica realista). Queda mucho por hacer, pero se ha dado un gran paso. Nos lo cuenta Robert F. Service, “Performance of Nanowire Solar Cells on the Rise,” Science 339: 263, 18 Jan 2013, quien se hace eco del artículo técnico de Jesper Wallentin et al., “InP Nanowire Array Solar Cells Achieving 13.8% Efficiency by Exceeding the Ray Optics Limit,” Science Express, Jan 17 2013 [DOI].

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Nueva cruzada contra el trifluoruro de nitrógeno

Una tarde de domingo, leyendo Menéame (tras haber leído El País y El Mundo) me encuentro con “Diez noticias que pasaron inadvertidas en 2008,” y me acuerdo de lo que ya escribimos en este blog “El trifluoruro de nitrógeno (NF3) se utiliza para la fabricación de todos los dispositivos que contengan semiconductores, como paneles solares, para reemplazar a ciertos perfluorocarbonados que son gases de invernadero aún más potentes (es decir, se usa para reducir las emisiones).” Es un gas de invernadero mucho más potente que el CO2 pero mucho menos que los gases que pretende sustituir. Lo que la noticia del El País, escrita por Patricia R. Blanco a partir de una noticia previa en Foreign Policy, no recalca es que “las (insignificantes) emisiones de NF3 (con respecto a las de CO2),” son resultado de la industria de semiconductores, sí, la que te permite tener un teléfono móvil, un iPod, un ordenador portátil, un televisor de plasma, y un “infinito” etcétera. Los paneles solares no son los culpables. Sólo son un ejemplo más.

Estimado lector, por supuesto, coincido contigo en que decir que contamina la tecnología renovable estrella es buen motivo para llamar la atención sobre la noticia. Pero coincidirás conmigo que es sesgar la noticia, sobre todo en un País como España, con baja cultura científica general.

Casi más oscuro que un agujero negro (o “el lado oscuro” de los nanotubos de carbono)

dibujo08feb2008oscuro.jpg

Un material negro es un “tragaluz” (se traga la luz), como hace a otra escala un agujero negro. Un material negro “ideal” es el que aborbe “toda” la luz que recibe en cualquier dirección (ángulo) y con cualquier “color” (longitud de onda). Normalmente consideramos sólo el espectro visible (los “colores” del arco iris). Un material negro es una esponja que en lugar de absorber agua, absorbe luz.

En el artículo Experimental Observation of an Extremely Dark Material Made By a Low-Density Nanotube Array“, Yang et al., Nano Letters, 2008, se presenta un material formado por un “bosque” (distribución alineada) de nanotubos puestos en vertical sobre un sustrato que parece ser el material “más” oscuro fabricado hasta el momento. El índice de refracción (teórico) de este material es extremadamente bajo que combinado con la rugosidad del bosque de nanotubos dotan a este material de una reflectancia difusa ultrabaja (un orden de magnitud por debajo del carbón de baja reflectancia comercial) y de una reflectancia total de 0.045% (sólo este tanto por ciento de la luz incidente es reflejada), es decir, el nuevo material absorbe más del 99’9% de la luz que recibe.

Las aplicaciones del nuevo material son múltiples: células solares, generatión de electricidad termofotovoltáica, detección infrarroja, e incluso observación astronómica (“Blacker Than Black: Darkest Manmade Material Ever Made“). A pie de calle, lo más que nos interesa es que permitirá el desarrollo de células solares más eficientes, es decir, mejores paneles solares (“‘Darkest ever’ material created“) . Este nuevo material es el mejor “tragaluz” conocido.

By the way, los investigadores quieren que el nuevo material se incluya en el Libro Guinness de los Récords (“Negro mas negro que el Negro” y “Blacker Than Black: Darkest Manmade Material Ever Made“). “Veta comercial” no le falta al profesor Shawn-Yu Lin.