MADRID, 24 de abril (EUROPA PRESS) –
Los científicos dirigidos por Cambridge están desarrollando nuevos Semiconductores captadores de luz de bajo coste. convertir agua en combustible limpio de hidrógeno, utilizando únicamente la energía del sol.
Estos materiales, conocidos como óxidos de cobreson baratos, abundantes y no tóxicos, pero su rendimiento hasta ahora no se acerca al del silicio, que domina el mercado de semiconductores.
Sin embargo, los investigadores descubrieron que al hacer crecer cristales de óxido de cobre en una orientación específica Para que las cargas eléctricas se muevan a través de los cristales en diagonal, las cargas se mueven mucho más rápido y más lejos, mejorando enormemente el rendimiento.
Las pruebas de un recolector de luz de óxido de cobre, o fotocátodo, basado en esta técnica de fabricación mostraron una mejora del 70 % con respecto a los fotocátodos de óxido de última generación existentes. al mismo tiempo que muestra una estabilidad muy mejorada.
Los investigadores dicen que sus resultados, publicado en la revista ‘Nature’, muestran cómo se podrían refinar materiales de bajo costo para impulsar la transición de combustibles fósiles a combustibles limpios y sostenibles que puedan almacenarse y utilizarse con la infraestructura energética existente.
El óxido de cobre u óxido cuproso se ha promocionado durante años como un posible sustituto económico del silicio, ya que es razonablemente eficaz para capturar la luz solar y convertirla en carga eléctrica. Sin embargo, gran parte de esa carga tiende a perderse, lo que limita el rendimiento del material.
“Al igual que otros semiconductores de óxido, el óxido cuproso tiene sus desafíos intrínsecos”, insiste. es una declaración El coautor principal, el Dr. Linfeng Pan, del Departamento de Ingeniería Química y Biotecnología de Cambridge. “Uno de esos desafíos es el desajuste entre la profundidad con la que se absorbe la luz y la distancia que recorren las cargas dentro del material. “Por lo tanto, la mayor parte del óxido debajo de la capa superior del material es esencialmente espacio muerto”.
“En la mayoría de los materiales de células solares, son los defectos en la superficie del material los que causan una reducción en el rendimiento, pero en estos materiales de óxido ocurre al revés: la superficie es en gran medida fina, pero algo en el volumen provoca pérdidas. ” añade el profesor Sam Stranks, que dirigió la investigación: “Esto significa que la forma en que crecen los cristales es vital para su desempeño”.
Para desarrollar óxidos cuprosos hasta el punto de que puedan ser un competidor creíble de los materiales fotovoltaicos establecidos, es necesario optimizarlos para que puedan generar y mover de manera eficiente cargas eléctricas (hechas de un electrón y un “hueco” de electrón con carga positiva). cuando la luz del sol los golpea.
Un posible método de optimización son las películas delgadas monocristalinas: láminas muy delgadas de material con una estructura cristalina altamente ordenada, que se utilizan a menudo en electrónica. Sin embargo, realizar estas películas suele ser un proceso complejo y que requiere mucho tiempo.
Utilizando técnicas de deposición de películas finas, los investigadores pudieron cultivar películas de óxido cuproso de alta calidad a temperatura y presión ambiente. Al controlar con precisión el crecimiento y las tasas de flujo en la cámara, fueron capaces de “desplazar” los cristales hacia una orientación particular. Luego, utilizando técnicas espectroscópicas de alta resolución temporal, pudieron observar cómo la orientación de los cristales afectaba la eficiencia con la que las cargas eléctricas se movían a través del material.
“Estos cristales son básicamente cubos, y descubrimos que cuando los electrones se mueven a través del cubo en una diagonal del cuerpo, en lugar de a lo largo de la cara o el borde del cubo, se mueven un orden de magnitud más”, dice. Pan. “Cuanto más se mueven los electrones, mejor será el rendimiento”.
“Hay algo en esa dirección diagonal en estos materiales que es mágico”, dice Stranks. “Necesitamos seguir trabajando para entender completamente por qué y optimizarlo aún más, pero hasta ahora ha resultado en un gran salto en el rendimiento”. Las pruebas de un fotocátodo de óxido cuproso fabricado utilizando esta técnica mostraron un aumento de rendimiento de más del 70 % con respecto a los fotocátodos de óxido electrodepositado de última generación existentes.
“Además del rendimiento mejorado, descubrimos que la orientación hace que las películas sean mucho más estables, pero pueden estar en juego factores más allá de las propiedades generales”, aclara Pan.
Los investigadores dicen que aún se necesita mucha más investigación y desarrollo, pero esta y otras familias de materiales relacionadas podrían desempeñar un papel vital en la transición energética. “Aún queda un largo camino por recorrer, pero estamos en una trayectoria apasionante”, concluye Stranks. “Hay mucha ciencia interesante que puede surgir de estos materiales, y para mí es interesante conectar la física de estos materiales con su crecimiento, cómo se forman y, en última instancia, cómo se desempeñan”.
