El diseño combina un reflector muy efectivo en el dorso de la célula solar con un recubrimiento anti-reflexivo en el anverso. Esto ayuda a atrapar ,en el silicio, la luz roja y casi infrarroja, que puede utilizarse para crear electricidad. El equipo de investigación está brindando una tecnología similar a StarSolar, una empresa puesta recientemente en marcha en Cambridge, MA.
Los investigadores aplicaron su esquema para atrapar luz en células de silicio delgadas que tienen un grosor de alrededor de 5 micrómetros. Su prototipo de célula solar tiene un 15 por ciento más de eficiencia para convertir la luz en electricidad que las células solares que se comercializan y tienen el grosor de una película. El líder del proyecto, Peter Bermel, que es el funcionario jefe de tecnología de StarSolar, dice que las simulaciones por computador sofisticadas sugieren que se pueden obtener grandes ganancias de eficiencia.
Las células solares de silicio con el grosor de una película podrían ser más baratas que los dispositivos convencionales porque usan cientos de veces menos material. Las células solares convencionales utilizan obleas de silicio que tienen un grosor de alrededor de 0,5 milímetros mientras que los dispositivos del grosor de una película miden unos pocos micrómetros. Pero las últimas tienen menor eficiencia. Esto se debe en gran parte a los fotones rojos y casi infrarrojos que no quedan atrapados suficiente tiempo dentro del silicio delgado como para ser absorbidos.
Las células solares actuales tienen una capa de metal (generalmente aluminio) en el dorso, para reflejar la luz. Pero este sistema no funciona demasiado bien y se pierde un 30 por ciento de la luz dentro de la célula solar de silicio, cada vez que rebota en el metal.
En vez de recubrir el dorso con metal, los investigadores del MIT están diseñando la superficie posterior de la célula solar de silicio para que sea eficiente al reflejar y retener la luz. Primero esbozaron una serie de crestas y depresiones, llamada rejilla. Sobre esto depositaron un cristal fotónico – una estructura periódica compuesta de capas alternadas de silicio y dióxido de silicio.
El cristal fotónico refleja la luz, mientras que la rejilla la reingresa al silicio en un ángulo agudo. Esto hace que la luz quede rebotando en el interior y evita que se escape. Cuanto más tiempo permanezca la luz adentro, es más probable que se absorba y convierta en electricidad.
“Este estudio demuestra la importancia de mejorar el rendimiento de las tecnologías del grosor de una película”, expresa Stephen Saylor, funcionario ejecutivo principal de SiOnyx en Beverly, MA. SiOnyx utiliza un enfoque distinto para aumentar la absorción de luz roja y casi infrarroja en dispositivos de silicio delgados. El material de silicio negro de la empresa tiene una superficie de una rugosidad a nano-escala que le ayuda a absorber toda la luz visible e infrarroja. Aún no se ha demostrado el potencial del material para las células solares.
Mientras tanto, en el Laboratorio Ames de Ames, IA, el físico Rana Biswas y sus colegas están utilizando cristales fotónicos para que las células solares de silicio amorfo sean más eficientes. Su cristal fotónico está compuesto por un entramado de cilindros de silicio pequeños dentro de una capa de óxido de indio y estaño. Esto podría aumentar la eficiencia de las células solares en un máximo del 15 por ciento. Pero sus células solares de silicio amorfo tienen un grosor de sólo 0,5 micrómetros, la décima parte de los dispositivos del MIT. “Generalmente, las células solares de película de silicio amorfo requieren mucho menos material, por lo tanto, el coste desciende. Además, se las podría depositar sobre plásticos. Esa es una gran mejora”, acota Biswas.
Los investigadores del MIT se proponen crear células solares de silicio del grosor de una película que sean lo suficientemente buenas como para competir con las células solares convencionales, comenta Bermel. Al optimizar el cristal fotónico y las estructuras de rejilla, los investigadores podrían obtener la máxima eficacia de las células solares, aumentándolo al 13 por ciento. Eso podría compararse con el 13 al 15 por ciento de eficiencia de algunas de las células solares convencionales.
En este momento las células solares distan de ser prácticas. Los investigadores utilizan una técnica costosa llamada litografía de interferencia para crear las rejillas. Además, las capas alternadas del reflector se depositan de una a una , lo que consume tiempo. Los investigadores necesitan hallar una técnica de fabricación que les permita crear células solares a gran escala y a bajo costo. Opina Saylor: “La pregunta suprema que hay que responder es la escalabilidad. Para tener impacto real, cualquier solución debe escalar con un coste efectivo hacia la producción masiva”.
Bermel dice que su equipo ya está considerando otros métodos de producción. Una opción que parece prometedora es la litografía por nano-impresión, pero todavía no la han probado. “Las simulaciones predicen claramente un aumento de la eficiencia en un 35 por ciento. Pero el desafío es ¿se podrá lograr de un modo práctico? Estamos trabajando en eso”, agrega Bermel.