Celdas solares con nanohilos
Marcelo Cappelletti. Facultad de ingeniería. Universidad Nacional de La Plata.
El avance a pasos agigantados de la nanotecnología brinda la posibilidad de nuevas investigaciones y desarrollos con aplicaciones en diversos campos tales como la informática, medicina o fuentes de energía alternativas, que prometen mejorar la calidad de vida de la humanidad y el medio ambiente en general.
En este sentido, en el campo de almacenamiento, producción y conversión de energía, los dispositivos fotovoltaicos (dispositivos capaces de convertir energía solar en energía eléctrica) de unión p-n que emplean nanohilos semiconductores, presentan una clara ventaja respecto de los dispositivos convencionales de película delgada, en cuanto a tener una mayor eficiencia en la conversión de energía y un menor costo.
Sin embargo, actualmente, los dispositivos que emplean nanohilos basados en semiconductores compuestos III-V (semiconductores formados por dos elementos de los grupos III y V de la tabla periódica), presentan una pobre característica de rectificación y una eficiencia de conversión de energía solar muy inferior a lo que predice la teoría. Esto puede ser debido a los portadores de carga atrapados en las superficies de los nanohilos, a las elevadas resistencias de los contactos y a un control insuficiente del dopaje a través de los nanohilos.
Jorge Caram, Claudia Sandoval, Mónica Tirado y David Comedi de la Universidad Nacional de Tucumán, junto a Josef Czaban, David Thompson y Ray LaPierre de la Universidad de McMaster (Canadá) han estudiado este problema a partir de dispositivos fotovoltaicos de unión p-n que emplean nanohilos de un semiconductor compuesto, el arseniuro de galio (GaAs).
Un método típico para evaluar el rendimiento de los dispositivos fotovoltaicos consiste en realizar mediciones de la característica Tensión-Corriente continua. Sin embargo, en este trabajo, los autores proponen una caracterización del dispositivo mucho más completa, mediante un estudio de espectroscopía de impedancia de estructuras de nanohilos coraza(shell)-corazón(core) p-n de GaAs, el cual es un método que analiza la dispersión de las propiedades eléctricas en un intervalo amplio de frecuencias (usando corriente alterna).
Los dispositivos de nanohilos para aplicaciones fotovoltaicas que han sido investigados, fueron fabricados por el grupo de investigación LaPierre de la Universidad de McMaster, y consisten de coraza-corazón p-n alineados de manera perpendicular al GaAs. El material empleado para el dopaje tipo n fue el telurio (Te) en lugar de silicio (Si), debido al comportamiento anfótero que el Si puede presentar en nanohilos de GaAs.
Se diseñaron dos clases bien diferentes de dispositivos dependiendo del grado de superposición espacial, coraza-corazón p-n, a lo largo del eje del nanohilo. Estas diferentes distribuciones espaciales resultaron ser un punto trascendente para la obtención de importantes conclusiones en cuanto a las características eléctricas en el rango de frecuencias 103–107 Hz.
Los resultados obtenidos indican que para frecuencias menores a 104 Hz, cuando se invierte la tensión de polarización desde 1.5 V hasta -1.5 V, la impedancia medida de los dispositivos con mayor superposición coraza-corazón (muestra D en la figura), se comporta de acuerdo a lo esperado para una unión p-n.
Por el contrario, los dispositivos con pequeña superposición (muestra A en la figura) no siguen este comportamiento. Además, la respuesta del dispositivo decae abruptamente para frecuencias mayores de 104 Hz. Los autores atribuyeron este efecto a los portadores capturados y liberados desde los niveles de energía profundos de la banda prohibida del semiconductor.
Este estudio permitió conseguir una mejor comprensión de los fenómenos físicos que actualmente limitan la eficiencia de estos dispositivos. Los autores creen que sus hallazgos permitirán mejorar la eficiencia en la conversión de energía solar a través de dispositivos fotovoltaicos basados en nanohilos.
Trabajo original: Electrical characteristics of core–shell p–n GaAs nanowire structures with Te as the n-dopant , Nanotechnology, 21, 134007 (2010)
Contacto: David Comedi (E-mail: [email protected] ) http://www.herrera.unt.edu.ar/nano