¿Qué son las células solares de puntos cuánticos?

Las células solares de puntos cuánticos son células solares construidas sobre una red de cristales fabricados a escala nanométrica que tienen el potencial de superar a las tecnologías convencionales de células solares debido a una limitación fundamental de cómo las células solares capturan la luz solar. Una célula solar estándar está construida sobre una capa de material que es más eficiente para capturar una banda o longitud de onda de luz en particular. Sin embargo, los puntos cuánticos en las células solares de puntos cuánticos se pueden crear para capturar múltiples bandas de luz variando su tamaño y composición química en el proceso de fabricación. Esto hace que una variedad de diferentes tipos de puntos cuánticos en una capa de sustrato puedan capturar una amplia gama de longitudes de onda de luz, lo que los hace mucho más eficientes y económicos de producir que las células solares estándar.

El límite técnico para convertir la luz solar en energía eléctrica con un material de células solares formado por un tipo de estructura química es, en teoría, un máximo del 31%. Sin embargo, las células solares comerciales a partir de 2011 solo tienen un nivel de eficiencia práctica del 15% al ​​17% en su nivel máximo. Durante décadas, se han realizado investigaciones para encontrar mejoras en la tecnología de células solares desde varios puntos de vista, como reducir el gasto de material fotovoltaico basado en silicio altamente puro mediante la sustitución de sustratos metálicos y polímeros flexibles. La investigación de células solares también se ha centrado en capturar un rango de luz de banda ancha más amplio, tanto al apilar diferentes capas de materiales de células solares como al diseñar cristales únicos, conocidos como puntos cuánticos, en una capa de células solares. Todos los enfoques tienen sus inconvenientes, y las células solares de puntos cuánticos también intentan aprovechar sus ventajas siempre que sea posible.

La tecnología emergente de las células solares de puntos cuánticos se basa en la física y la química de los propios puntos cuánticos, pero también incluye el principio de una célula solar de varias capas y la capacidad de incorporar estos componentes en un producto más fácil de fabricar. sustrato flexible Idealmente, la tecnología apunta a producir lo que se conoce como una célula solar de espectro completo, capaz de capturar hasta el 85% de la luz radiante y visible y convertirla en electricidad, así como capturar algo de luz en las bandas infrarroja y ultravioleta. La producción de energía para tales células solares ha alcanzado un 42% de eficiencia en el laboratorio a partir de 2011, y los esfuerzos actuales implican la búsqueda de estructuras químicas prácticas y rentables para dicha tecnología para que pueda ser producida en masa.

Los enfoques para las células solares de próxima generación se han centrado en el modelo de separación de tres bandas o de unión múltiple, donde se interconectan diferentes capas de aleaciones semiconductoras de nitrato de arseniuro de galio. Otra composición química de múltiples uniones ha utilizado una aleación de zinc-manganeso-telurio y también se están fabricando células solares de puntos cuánticos a partir de sulfuro de cadmio en un sustrato de dióxido de titanio que está recubierto con moléculas orgánicas para interconectar el sustrato metálico y los puntos cuánticos. Otras variaciones en las tres capas de banda prohibida incluyen la investigación con fosfuro de indio-galio, arseniuro de indio-galio y germanio. Muchas combinaciones químicas parecen funcionar, y el tamaño de las moléculas utilizadas en el proceso, como la capa de interconexión orgánica, parece tener un impacto más directo en la eficiencia de las células solares de puntos cuánticos para capturar un amplio espectro de luz que el química real de los propios materiales. Sin embargo, las capas en una célula solar de múltiples uniones, incluidos los puntos cuánticos en sí, a menudo tienen que tener menos de dos nanómetros de grosor, lo que requiere un nivel de precisión extremadamente fino para producir las únicas instalaciones fabulosas de microchip que hacen procesadores de computadora y memoria. capaz de a escala masiva.

El objetivo de la investigación de las células solares de puntos cuánticos es hacer que las células solares sean más eficientes y menos costosas de fabricar. Idealmente, se construirán sobre materiales poliméricos flexibles para que puedan pintarse en edificios o usarse como recubrimiento para dispositivos electrónicos portátiles. Entonces también serían capaces de ser tejidas en telas sintéticas para ropa y tapicería en automóviles. Esto le daría a la tecnología de celdas solares aplicaciones generalizadas en la generación eléctrica que podrían complementar o suplantar la necesidad del uso de combustibles fósiles para muchas necesidades comunes de los consumidores, incluidos el control climático, las telecomunicaciones, el transporte y la iluminación. Dichas células solares se han creado en el laboratorio de EE. UU., Canadá, Japón y otras naciones, y es probable que la primera compañía que encuentre un método de producción en masa de bajo costo de la tecnología capture un mercado mundial para ella a una escala sin precedentes.