Un nuevo material fotovoltaico tiene un rendimiento igual al encontrado en las mejores células solares de hoy día, aunque promete ser significativamente más barato. El material, creado por investigadores en Caltech, consiste en una matriz flexible de microcables de silicio absorbentes de luz y unas nanopartículas de metal reflectantes de luz incrustadas dentro de un polímero.

Los modelos computacionales sugieren que el material podría usarse para fabricar células solares capaces de convertir entre un 15 y un 20 por ciento de la energía de la luz del sol en electricidad—a la par con las células de silicio de alto rendimiento actuales. No obstante el material requeriría sólo un 1 por ciento de los materiales usados hoy día, lo que en potencia conllevaría una reducción dramática en los costes. Los investigadores fueron dirigidos por Harry Atwater, profesor de física aplicada y ciencias de los materiales en Caltech.

Lo principal del rendimiento del nuevo material es su capacidad para atrapar la luz. Cuando más tiempo rebote un fotón dentro de la parte activa de cualquier célula solar, más probabilidades existen de que libere un electrón. Todas las células solares de alto rendimiento poseen capas antirreflectantes que ayudan a atrapar la luz. Sin embargo estas células utilizan mucho más silicio y deben extraerse a partir de obleas más grandes, un proceso que genera muchos desperdicios.

“Siempre se ha pensado que la luz podría atraparse usando menos silicio y bajando los costes, sin embargo hasta ahora no ha sido fácil conseguirlo,” afirma Eli Yablanovitch, profesor de ingeniería eléctrica en la Universidad de California, Berkeley, y que no estuvo involucrado con la investigación.

Muchos grupos han centrado su atención en estructuras como las de los nanocables y los microcables para poder solucionar este problema. El material fotovoltáico del grupo de Caltech, que utiliza microcables de silicio, demuestra un nuevo nivel de rendimiento en gran parte debido a la adición de nanopartículas reflectantes.

El grupo de Atwater cultivó matrices de microcables de silicio a partir de un gas sobre la superficie de una plantilla reutilizable. La plantilla dicta el grosor del cultivo del bosque de cables, y el diámetro de cada cable. Las matrices se distribuyen unas separadas de las otras, y si no son sometidas a un tratamiento adicional no consiguen crear un buen material solar. Sin embargo los cables son tratados con una capa antirreflectante y con un polímero elástico mezclado con nanopartículas de alúmina altamente reflectantes. Una vez que el polímero se asienta, el resultado completo se puede pelar como si fuera una pegatina. Más del 90 por ciento del material resultante está compuesto de un tipo de polímero de bajo coste, y la plantilla se puede usar una y otra vez.

“Estos materiales son maleables, aunque tienen las propiedades de una oblea de silicio,” afirma Atwater. Cuando la luz alcanza la superficie solar, empieza rebotar por todas partes, reflejándose en las partículas de alúmina hasta ser absorbida por un microcable.

A pesar de que las matrices de microcables son bastante escasas, las partículas reflectantes se aseguran de que se escape muy poca cantidad de luz antes de ser absorbida. El grupo de Caltech aún no ha publicado los detalles del rendimiento del material como parte de una célula solar, aunque el compuesto ha logrado demostrar cifras muy buenas en cuanto a absorción de luz y recolecta de electrones.

“Una célula solar tiene que hacer tres cosas: tiene que absorber la luz, recolectar todos los electrones y generar energía,” afirma Atwater. El material puede absorber un 85 por ciento de la luz del sol que lo alcanza, y un 95 por ciento de los fotones en esta luz generarán un electrón. Hasta que los resultados sean publicados, el grupo de Caltech no hará públicos los resultados en cuanto a generación de energía.

“Lo que resulta más interesante es que podemos usar mucho menos material para crear una célula solar—dos órdenes de magnitud menos,” afirma Yi Cui, profesor de ciencias de los materiales en la Universidad de Stanford. Esto no sólo bajará los costes de los materiales. “Una vez que usemos menos material para la deposición, la línea de manufactura se hace más corta,” explica Cui. Esto tiene dos implicaciones empresariales: debería ser necesario un menor capital de inversión para construir las fábricas necesarias para elaborar las células, y debería ser posible su producción a una cuota más rápida.

En la actualidad el grupo de Atwater está trabajando en la construcción del material fotovoltaico sobre un área más grande, así como en su incorporación dentro de unos prototipos de célula solar. Los resultados publicados hasta ahora proceden de unos experimentos de prueba de concepto utilizando centímetros cuadrados del material. “Tenemos que llevar a cabo el proceso de ingeniería normal y nada glamoroso: fabricar contactos eléctricos de baja resistencia, y crear grandes áreas, de cientos de centímetros cuadrados,” señala Atwater. Añade que aunque el material está elaborado de forma novedosa, se puede fabricar utilizando una combinación de técnicas actualmente bien establecidas y escalables.