La fisión de excitones aumenta la eficiencia de las células solares de silicio

Por Francisco R. Villatoro, el 9 julio, 2019. Categoría(s): Ciencia • Física • Nanotecnología • Nature • Noticias • Óptica • Physics • Science ✎ 3

La eficiencia máxima de una célula solar de silicio es del 29%. En 1979 el físico David Dexter propuso cómo alcanzar un 35% usando la fisión de excitones en tetraceno sobre silicio. El problema es cómo transferir estos excitones al silicio. Se publica en Nature  una nueva solución, la inserción entre el silicio y el tetraceno de una nanopelícula de oxinitruro de hafnio (HfOxNy) de solo 0.8 nanómetros. La nueva célula solar aún no alcanza el máximo teórico predicho por Dexter. Pero siendo un prototipo se auguran grandes mejoras en su diseño cuando se entienda mejor el rol del HfOxNy. Quizás en un futuro haya células solares basadas en la fisión de excitones.

En las células solares de silicio, los fotones de menor energía (color rojo) inducen la formación de un excitón, pareja electrón-hueco. Este excitón se separa en sus componentes que se dirigen a dos contactos eléctricos donde se produce una corriente eléctrica. Los contactos suelen estar encima y debajo del silicio. Los fotones de mayor energía (color azul y verde) inducen la formación de excitones con mayor energía que el salto de banda del silicio (recuerda que es un semiconductor); así, no se pueden separar en sus componentes y se desaprovechan (se disipan en calor). En el tetraceno estos excitones de alta energía se fisionan (dividen) en dos excitones de menor energía que se pueden aprovechar en la célula de silicio. En concreto, el fotón de alta energía produce un excitón en estado singlete, con los espines del electrón y el hueco en direcciones opuestas, con espín total nulo (↑+↓ = 0). En el tetraceno cristalino este excitón singlete se puede fisionar en dos excitones en estado triplete (0 = +1 −1); cada uno tiene sus espines del electrón y del hueco en la misma dirección, con un espín total igual a ±1 (↑+↑ = +1, y ↓+↓ = −1).

La nueva célula solar tiene un rendimiento de 1.3 excitones por fotón, lo que implica un incremento de su eficiencia del 133% ± 13%. Pero su diseño no es óptimo, de hecho, recubrir el silicio con tetraceno obliga a que los contactos estén bajo el silicio, lo que reduce su eficiencia. De hecho, el 76% de los excitones triplete se transfieren al silicio, junto a un 56% de los excitones singlete; futuros avances en el diseño tendrán que mejorar estos porcentajes. El artículo es Markus Einzinger, Tony Wu, …, Marc A. Baldo, “Sensitization of silicon by singlet exciton fission in tetracene,” Nature 571:,90-94 (03 Jul 2019), doi: 10.1038/s41586-019-1339-4; más información divulgativa en Joseph M. Luther, Justin C. Johnson, “An exciting boost for solar cells,” Nature 571: 38-39 (03 Jul 2019), doi: 10.1038/d41586-019-02014-8, y en Marc Baldo, “An old dream for silicon solar cells,” Device & Materials Engineering (03 Jul 2019) [web].

El artículo con la idea original es D. L. Dexter, “Two ideas on energy transfer phenomena: Ion-pair effects involving the OH stretching mode, and sensitization of photovoltaic cells,” Journal of Luminescence 18-19: 779-784 (1979), doi: 10.1016/0022-2313(79)90235-7; la estimación de su eficiencia máxima se publicó en Moritz H. Futscher, Akshay Rao, Bruno Ehrler, “The Potential of Singlet Fission Photon Multipliers as an Alternative to Silicon-Based Tandem Solar Cells,” ACS Energy Letters 3: 2587-2592 (2018), doi: 10.1021/acsenergylett.8b01322.

El tetraceno es un hidrocarburo aromático policíclico formado por cuatro anillos de la serie de los acenos (similares al anillo del benceno) unidos de forma lineal. El tetraceno es un semiconductor orgánico molecular, con un ancho de banda de 3.11 eV (entre HOMO 1.40 eV y LUMO −1.71 eV). Los fotones de alta energía fotoexcitan un excitón singlete con una energía de 2.40 eV que se fisiona en dos excitones triplete de 1.25 eV, cuya energía es similar a los 1.11 eV del salto de banda del silicio. El problema es cómo transferir estos excitones triplete del tetraceno al silicio, evitando que se recombinen en la superficie del silicio.

La solución es crecer una nanopelícula de HfOxNy  sobre la oblea de silicio por deposición atómica. Se han desarrollado dos prototipos, uno con nanopelícula de 8 Å (0.8 nm) y el otro con 16 Å (1.6 nm), siendo el primero el más eficiente. Se requiere una rugosidad muy baja (se estima que en el prototipo de 0.8 nm es menor de 0.15 nm). Usando espectroscopia de fotoelectrones ultravioletas se estima que el ancho de banda en la interfase es de 4.28 eV, suficiente para facilitar la transferencia de los excitones. En la nueva célula solar se usan contactos de Al/MoOx para extraer los huecos y de Al/LiF para extraer los electrones.

Esta figura (izquierda) muestra los excitones de tipo singlete y triplete en el tetraceno, así como (derecha) la fisión de un singlete en dos tripletes. Estas simulaciones por ordenador se publicaron en 2014 (Shane R. Yost, Jiye Lee, …, Troy Van Voorhis, “A transferable model for singlet-fission kinetics,” Nature Chemistry 6: 492-497 (2014), doi: 10.1038/nchem.1945).

Las medidas del nuevo dispositivo usando fotoluminiscencia muestran que para fotones con longitud de onda menor de 550 nm se observa un incremento en eficiencia de un 133%; sin embargo, por encima, hasta 640 nm la eficiencia es muy similar a la de una célula solo de silicio. Los resultados experimentales se ajustan bien con las predicciones teóricas, pero hay mucha dispersión en los datos. Se considera todo un reto tecnológico el control de la fabricación de estos nanodispositivos, así como un reto de innnovación la mejora de su diseño. Solo así se logrará ajustar la respuesta del dispositivo a las predicciones teóricas y alcanzar una eficiencia próxima a la máxima teórica.



3 Comentarios

  1. Por que no se profundiza en el estudio con el SILICIO AMORFO.?YA QUE ES UNA ALTERNATIVA PERFECTAMEN,TE VIABLE Y ALTERNATIVA, Y MUCHO MAS ECONÓMICA

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