Un grupo de investigadores de la Universidad de California, en Berkeley, han fabricado un nuevo tipo de célula solar mediante el cultivo de pilares verticales a escala nanométrica sobre una lámina de aluminio. Han logrado producir células solares capaces de doblarse mediante el encapsulado de la célula completa dentro de un polímero elástico y transparente.

Los nanopilares permiten a los investigadores utilizar materiales más económicos y de menor calidad que aquellos utilizados en las tecnologías convencionales de película fina y silicio. Además, la técnica utilizada para fabricar las células se podría adaptar para fabricar rollos de panel flexible sobre finas láminas de aluminio, con lo que se reducirían los costes de manufactura, según señala Ali Javey, profesor de ingeniería eléctrica y ciencias informáticas que dirigió el proyecto. Dicho proyecto se encuentra en una fase muy inicial, y “no sabremos el coste hasta que utilicemos un proceso de rollo-a-rollo,” afirma. “Si logramos conseguirlo, el coste podría ser 10 veces menor al que se necesita para construir paneles de silicio [cristalino].”

Las células solares están hechas de pilares de sulfuro de cadmio uniformes de 500 nanómetros de alto, incrustados en una película fina de telurio de cadmio. Ambos materiales son semiconductores que se suelen utilizar en las células solares de película fina. En un estudio publicado online en Nature Materials, Javey y sus colegas demostraron que las células tienen una eficiencia de aproximadamente un 6 por ciento a la hora de transformar la luz solar en electricidad. Existen otros grupos que han fabricado células diseñadas con pilares, afirma, pero para hacer crecer los pilares tuvieron que emplear métodos con un alto coste, y la eficiencia conseguida no superó el 2 por ciento.

En las células convencionales, el silicio absorbe la luz y crea electrones libres, que necesitan ser enviados a un circuito eléctrico antes de que sean atrapados entre los defectos e impurezas del material. Para alcanzar el mayor grado de eficiencia en estos aparatos fotovoltaicos, es necesario utilizar silicio cristalino extremadamente puro y caro.

El diseño de nanopilares divide las tareas del silicio: el material que rodea a los pilares absorbe la luz y crea electrones, y los pilares los transportan al circuito eléctrico. Esto hace que se incremente la eficiencia por partida doble. Los pilares, unidos a poca distancia, atrapan la luz entre sí, con lo que ayudan a que el material que los rodea sea capaz de absorber más luz. También se logra que los electrones tengan una distancia más corta que recorrer a través de los pilares, por lo que se corre menos riego de que acaben atrapados entre los defectos del material. Todo significa que se pueden utilizar materiales de menos calidad y menos caros, afirma Javey.

Hay otros grupos que también están fabricando células solares a partir de distintas nanoestructuras. El profesor de química de la Universidad de Harvard, Charles Lieber, ha fabricado una serie de nanocables consistentes en un núcleo de silicio y varias capas de silicio concéntricas. Peidong Yang, profesor de química en UC Berkeley, ha fabricado unas células solares sensibilizadas mediante tintes con nanocables de óxido de zinc. Estas células solares de nanocables han alcanzado grados de eficiencia de hasta un 4 por ciento.

Durante el primer paso en la fabricación de las células de nanopilares, Javey y sus colegas anodizan una lámina de aluminio. Esto crea una disposición periódica de poros de 200 nanómetros de ancho, que actúan como plantillas para que los cristales de sulfato de cadmio puedan crecer erectos. Después se aplica una capa de telurio de cadmio y se coloca el electrodo superior, una película de cobre y oro. Más tarde unen la célula a una placa de vidrio o, para hacer que sea flexible, echan por encima una solución de polímero y dejan que se asiente.

“Estamos hablando de un progreso interesantísimo dentro de la integración de los nanomateriales en una serie de sustratos blandos para la fabricación de células solares flexibles, capaces de doblarse, y de alta eficiencia,” afirma Zhong Lin Wang, profesor de ciencias de los materiales e ingeniería en Georgia Tech. Sin embargo, la célula tendrán aún que competir con las células solares flexibles de película fina hechas de silicio, telurio de cadmio y otros materiales, señala Arthur Nozik, químico-físico que se dedica al estudio de las nano células solares en el Laboratorio Nacional de Energías Renovables, en Golden, Colorado. Más que el grado de flexibilidad de la nueva célula, afirma, “creo que el punto fuerte para su venta reside en su bajo coste.”

Por ahora, los investigadores están explorando una serie de materiales que podrían ayudar a mejorar la eficiencia de la célula. La capa superior de cobre y oro, por ejemplo, sólo tiene un 50 por ciento de transparencia. Si se lograse que toda la luz que recae sobre ella pudiera traspasarla, la eficiencia de las células en principio se doblaría, señala Javey. Los investigadores tienen previsto fabricar células con materiales conductores transparentes tales como en óxido de indio. “Existe un gran margen para realizar mejoras, de al menos el doble de eficiencia, con sólo mejorar o reemplazar el material que usamos en el contacto superior,” afirma.

Los investigadores también tienen previsto probar otros materiales semiconductores para los pilares y los materiales que los rodean. Javey señala que el proceso de fabricación es compatible con un gran rango de semiconductores, y que otro tipo de combinaciones podrían hacer que la eficiencia se viese aumentada.

Dados los problemas que ocasiona la toxicidad del cadmio, puede que sea importante hacer pruebas con otros materiales semiconductores, afirma Yang desde Berkeley. Sin embargo, señala, “la arquitectura es más importante—podemos seguir trabajando en los materiales. La belleza de este estudio es que demuestra lo bien que funciona la arquitectura.”