Noticio

El silicio es el segundo elemento más abundante en la corteza terrestre, se puede encontrar en arena, rocas y sedimentos. Este elemento es más conocido por sus aplicaciones en el desarrollo de dispositivos electrónicos y por la fabricación de celdas solares. Sin embargo, el silicio no presenta adecuadas propiedades ópticas en bulto por ser un semiconductor de banda indirecta pero a escala nanométrica exhibe interesantes propiedades luminiscentes (Figura. 3b). Los nanocristales de silicio (NC-Si) pueden obtenerse por varias técnicas como deposición de vapor químico (CVD por sus siglas en inglés), pulverización catódica (Sputtering), o en silicio poroso (SP). El SP es un material nanoestructurado que se puede obtener por varias técnicas como son “grabado en mancha” y “electroerosión”. Sin embargo, la técnica más común para la fabricación de SP es la de anodización electroquímica de silicio en una solución fluorada (ver figura 1) [1]

Figura 1. Esquema de: a) componentes que conforman la celda electroquimica y b) configuración experimental del proceso.

Una de las ventajas fundamentales de trabajar con SP es la posibilidad de obtener mediante un proceso accesible y con variables de control morfológico viables, distribuciones teóricas de índice de refracción en el rango de 1.1-3.5 como los cristales fotónicos (CF) [2]. Algunos de los ejemplos de CF unidimensionales básicos los encontramos en la naturaleza, por ejemplo; en alas de las mariposas, las conchas de abulón y algunos helechos tropicales (figura 2), cuya coloración no proviene de pigmentos, sino del efecto de la luz incidiendo en los cristales fotónicos provocando un efecto similar a colores iridiscentes.

Figura2. Colores iridiscentes en la naturaleza: a) alas de mariposa b) conchas de abulón c) helechos d) escarabajos. Enlapartederechadecadafiguraseobserva la imagen de microscopio de barrido electrónico (SEM).

Inspirado en este fenómeno, en el laboratorio se ha logrado desarrollar CF, a partir de SP, los cuales no solo pueden imitar las propiedades de las guías de ondas y cavidades, sino también pueden ser escalables y aplicables a un amplio rango de frecuencias desde el ultravioleta (UV) hasta el infrarrojo (IR), ver figura 3a.

Síntesis y caracterización de NC-Si para incrementar la eficiencia de dispositivos fotovoltaicos
Actualmente en el CIO A.C., se están obteniendo experimentalmente NC-Si a partir del SP empleando el método de ataque electroquímico. Lo que se busca es mejorar su respuesta espectral e incrementar la eficiencia de celdas solares (CS) basadas en tecnología de silicio a través del efecto photon-down conversión [3]. Este consiste en que los NC-Si absorben fotones de alta energía (UV) y los convierten en fotones de baja energía (en el rango visible). Los compuestos NC-Si/polímero actúan como una capa down-conversion mejorando la eficiencia de las CS orgánicas [4]. En ese sentido, la incorporación de los NC-Si emisores de la luz roja en la superficie de la celda solar, aumentan la densidad de fotocorriente y la eficiencia cuántica externa [3].

Figura 3. Silicio poroso expuesto a la (a) luz ambiente y (b) bajo luz ultra violeta (UV)

Figura 4. Si-QDs de silicio poroso a) En forma de pelicula con diferente tamaño b) En Coloides [5]

La primera etapa del presente trabajo de investigación consiste en sintetizar y caracterizar los NC-Si y posteriormente se deposita en forma de película delgada sobre CS comerciales buscando poner en manifiesto el efecto de photon-down conversión (Figura 4). Finalmente se pretende obtener módulos de celdas solares tanto rígidas como flexibles, aprovechando las propiedades de los polímeros y mejorando la eficiencia de conversión original (Figura 5).

Figura 5. Depósito de QDs en forma de película delgada sobre CS comerciales [6].

Referencias. [1] R.R. Koropecki, C.Spies, R.D. Arce, J.A. Schmidt, Cristales fotónicos de silicio poroso nanoestructurado, 17º CBECIMat - Congresso Brasileiro de Engenharia e Ciência dos Materiais, Foz do Iguaçu, PR, Brasil, 2006.
[2] W. Theiss, Surf. Sci. Rep, vol. 29, pp. 95–192, 1997.
[3] I. Vivaldo, J. Carrillo, O. López, S. Jiménez, J. Martínez, D. Murias, J. A. López, (2017), Int. J. Energy Res. 41, 410.
[4] V. Svrcek, T. Yamanari, D. Mariotti, S. Mitra, T. Velusamy K. Matsubara, (2015), Nanoscale, 7, 11566.
[5] F. Morales-Morales, L. Palacios-Huerta, S.A. Cabañas-Tay, A. Coyopol, A. Morales- Sánchez Optical Materials (2019), 90, 220–226.
[6] M.B.de la Mora.Amelines-Sarriabc .M.Monroyd. D.Hernández-Pérez, J.E.Lugo, Materials for downconversion in solar cells: Perspectives and challenges Volume 165, 2017, Pages 59-71