Stanford , panel solar ultradelgado y liviano

El principal de los beneficios de estos dicalcogenuros de metales de transición, o TMD, es que absorben niveles ultra altos de la luz solar que incide en su superficie en comparación con otros materiales solares.

«Imagínese un dron autónomo que se alimenta con un panel solar en la parte superior de su ala que es 15 veces más delgado que un trozo de papel», dijo Koosha Nassiri Nazif, becario de doctorado en ingeniería eléctrica en Stanford y coautor principal de un estudio publicado en la edición del 9 de diciembre de Nature Communications . «Esa es la promesa de los TMD».   Stanford , panel solar ultradelgado y liviano      Stanford , panel solar ultradelgado y liviano       Stanford , panel solar ultradelgado y liviano

La búsqueda de nuevos materiales es necesaria porque el rey reinante de los materiales solares, el silicio, es demasiado pesado, voluminoso y rígido para aplicaciones donde la flexibilidad, el peso ligero y la alta potencia son preeminentes, como dispositivos y sensores portátiles o vehículos aeroespaciales y eléctricos.

“El silicio representa hoy el 95 por ciento del mercado solar, pero está lejos de ser perfecto. Necesitamos nuevos materiales que sean livianos, flexibles y, francamente, más ecológicos ”, dijo Krishna Saraswat , profesor de ingeniería eléctrica y autor principal del artículo.

Una alternativa competitiva

Si bien los TMD son muy prometedores, los experimentos de investigación hasta la fecha han luchado para convertir más del 2 por ciento de la luz solar que absorben en electricidad. Para los paneles solares de silicio, ese número se acerca al 30 por ciento. Para que se utilicen ampliamente, los TMD deberán cerrar esa brecha.

Esquema de la seccion transversal del dispositivo Credito de la imagen Koosha Nassiri Nazif

El nuevo prototipo de Stanford alcanza un 5,1 por ciento de eficiencia de conversión de energía, pero los autores proyectan que prácticamente podrían alcanzar el 27 por ciento de eficiencia con optimizaciones ópticas y eléctricas. Esa cifra estaría a la par con los mejores paneles solares del mercado actual, incluido el silicio.

The inverted pyramid nanostructure fabrication process a c Si epitaxial growth on SOI Q320

Además, el prototipo logró una relación potencia-peso 100 veces mayor que cualquier TMD desarrollado hasta ahora. Esa proporción es importante para aplicaciones móviles, como drones, vehículos eléctricos y la capacidad de cargar equipos expedicionarios en movimiento. Al observar la potencia específica, una medida de la producción de energía eléctrica por unidad de peso de la célula solar, el prototipo produjo 4,4 vatios por gramo, una cifra competitiva con otras células solares de película delgada de la actualidad, incluidos otros prototipos experimentales.

«Creemos que podemos aumentar esta proporción crucial otras diez veces mediante la optimización», dijo Saraswat, y agregó que estiman que el límite práctico de sus células TMD es de unos notables 46 vatios por gramo.

Ventajas adicionales

Sin embargo, su mayor beneficio es su notable delgadez, que no solo minimiza el uso y el costo del material, sino que también hace que las células solares TMD sean livianas y flexibles y puedan moldearse en formas irregulares: el techo de un automóvil, el ala de un avión o el cuerpo humano.

Koosha Nassiri Nazif

El equipo de Stanford pudo producir una matriz activa que tiene solo unos pocos cientos de nanómetros de espesor. La matriz incluye el diselenuro de tungsteno TMD fotovoltaico y contactos de oro, atravesados ​​por una capa de grafeno conductor que tiene un solo átomo de espesor. Todo ello intercalado entre un polímero flexible similar a la piel y un revestimiento antirreflectante que mejora la absorción de la luz.

Cuando están completamente ensambladas, las celdas TMD tienen menos de seis micrones de grosor, aproximadamente el de una bolsa de basura de oficina liviana. Se necesitarían 15 capas para alcanzar el grosor de una sola hoja de papel.

Si bien la delgadez, el peso ligero y la flexibilidad son objetivos muy deseables en sí mismos, los TMD también presentan otras ventajas de ingeniería. Son estables y fiables a largo plazo. Y a diferencia de otros competidores de la corona de película fina, los TMD no contienen productos químicos tóxicos. También son biocompatibles, por lo que podrían usarse en aplicaciones portátiles que requieran contacto directo con la piel o los tejidos humanos.

Un futuro prometedor

Las muchas ventajas de los TMD se contrarrestan con ciertas desventajas, principalmente en las complejidades de ingeniería de la producción en masa. El proceso de transferir una capa ultrafina de TMD a un material de soporte flexible a menudo daña la capa de TMD.

Alwin Daus

Alwin Daus , quien fue coautor principal del estudio con Nassiri Nazif, ideó el proceso de transferencia que fija los paneles solares delgados TMD al sustrato flexible. Dijo que este desafío técnico era considerable. Un paso consistió en transferir la capa de grafeno atómicamente delgado a un sustrato flexible que tiene solo unas pocas micras de espesor, explicó Daus, quien era un becario postdoctoral en el grupo de investigación de Eric Pop en Stanford cuando se llevó a cabo la investigación. Ahora es investigador senior en la Universidad RWTH Aachen en Alemania.

Este intrincado proceso da como resultado que el TMD se incruste completamente en el sustrato flexible, lo que aumenta la durabilidad. Los investigadores probaron la flexibilidad y robustez de sus dispositivos doblándolos alrededor de un cilindro de metal de menos de un tercio de pulgada de grosor.

“Potentes, flexibles y duraderos, los TMD son una nueva dirección prometedora en la tecnología solar”, concluyó Nassiri Nazif.

Correo electróniPOR ANDREW MY