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Este nuevo diseño se basa en una “metasuperficie”, es decir, una superficie compuesta por pequeñas estructuras que se repiten siguiendo un patrón. Además, tanto las estructuras como el patrón son menores que la longitud de onda de la luz. Esto significa que deben tener dimensiones nanométricas (millonésimas de milímetro), explican los investigadores, del Grupo de Displays y Aplicaciones Fotónicas (GDAF) de la UC3M. Esto es una superficie compuesta por pequeñas estructuras que se repiten siguiendo un patrón. Además, tanto las estructuras como el patrón son menores que la longitud de onda de la luz.

El diseño que plantean consiste en grabar cruces en una célula solar de silicio amorfo hidrogenado de capa delgada. En concreto, en la capa conductora transparente por donde entra la luz. Después, unas nanoesferas de material dieléctrico rellenan estas cruces. De esta manera, la luz que llega a la célula se redirige eficazmente a su zona activa, el lugar donde se transforma en corriente eléctrica mediante el efecto fotoeléctrico. Con ello consiguen atrapar en la célula solar más luz, generando hasta un 40 por ciento más de corriente generada, según sus cálculos, que han publicado en un trabajo en la revista Solar Energy.

En el trabajo estos investigadores han podido determinar el material idóneo para las nanoesferas, como es el óxido de zinc, así como sus tamaños adecuados para que la fabricación ya sea factible a día de hoy: 210 nanómetros de radio (un cabello humano tiene un grosor que oscila entre los 60.000 y los 80.000 nanómetros). 

“La clave para que esto se consiga de manera eficaz en ciertos ‘colores’ es seleccionar bien los tamaños y materiales“, explica uno de los autores del estudio, Ricardo Vergaz, profesor del Departamento de Tecnología Electrónica de la UC3M. “Lo que hemos hecho ha sido evaluar miles de posibilidades en tamaños y en los índices de refracción, la propiedad óptica más importante del material de las esferas”, añade.

La estrategia: combinar difracción y efectos resonantes 

Incrustar las esferas en las cruces, acercándolas ligeramente a la capa activa que está debajo, potencia su efecto enormemente, señalan en el estudio.  Además, han encontrado que la combinación del efecto de las cruces y de las esferas es lo que consigue la mejora: si las cruces se separan, o si las esferas se reducen, el efecto decae dramáticamente. 

“Hemos intentado potenciar la difracción que producen las cruces mediante los propios efectos resonantes de las esferas”, indica otro de los autores del estudio, Braulio García-Cámara, investigador del GDAF. “Los contrastes entre los índices de refracción de las nanoesferas y los de las capas inferiores permiten explotar los efectos que buscábamos. Cuando este diseño se pueda implementar en la fabricación, se conseguirá una mejora de rendimiento muy significativa en las células solares que se instalen en futuros campos solares”, concluye. 

Otra ventaja que tiene este diseño es que los efectos que produce permiten que se reduzca el espesor de la capa activa para generar la corriente de manera eficaz, lo que ahorra material a la hora de fabricarla. “Al reducirla, la extracción de los electrones generados por la luz también es más eficaz, porque tienen que cruzar menos camino por donde podrían ser reabsorbidos”, apuntan. Además, la absorción que se produce en las capas que rodean a la activa tiene un efecto de calentamiento, que puede permitir a largo plazo reducir sus defectos.

Más información: 

Mahmoud H. Elshorbagy, Eduardo López-Fraguas, José Manuel Sánchez-Pena, Braulio García-Cámara, Ricardo Vergaz (2020). Boosting ultrathin aSi-H solar cells absorption through a nanoparticle cross-packed metasurface. Solar Energy, Volume 202, Pages 10-16, https://doi.org/10.1016/j.solener.2020.03.075