Instalar paneles solares en los techos o patios de las casas y edificios se ha convertido en una alternativa sustentable para captar radiación solar y conseguir energía eléctrica. Estos paneles están hechos especialmente de silicio, el segundo elemento más abundante en la corteza terrestre después del oxígeno. Un estudio de laboratorio determinó que fabricarlos con mezclas de elementos como indio, galio y arsénico mejoraría su eficiencia energética, aumentando su productividad del 30 al 60 %, ya que logran absorber todo el espectro visible de la radiación solar, desde el infrarrojo hasta el ultravioleta.
Los módulos solares se componen de pequeñas celdas o laminillas que actúan como semiconductores, capaces de transformar la luz del sol (energía fotovoltaica) en energía eléctrica. Un solo módulo puede contener más de 60 piezas de estas, más delgadas que un cabello humano. Aunque actualmente se utilizan estas celdas, un estudio de la Universidad Nacional de Colombia (UNAL) Sede Manizales, realizado en el Laboratorio de Nanoestructuras Semiconductores del campus La Nubia, propone construir las celdas con mezclas de elementos y una técnica novedosa para sintetizar o unir las capas de cada una.
Por lo general, el proceso de construir paneles solares se hace con cámaras que emplean gases como el nitrógeno, el argón o el helio. Sin embargo, en este caso se utilizó un método diferente llamado “deposición de capas atómicas”, en el que un equipo llamado magnetrón escúter realiza una deposición física de vapor en vez de utilizar gases.
“Es una especie de rayo que choca con lo blanco del material y hace que las partículas del componente se ubiquen una sobre otra generando una especie de capa”, así lo explica Juan Esteban Salgado Salgado, ingeniero físico de la UNAL Sede Manizales, quien con la colaboración de su profesor Álvaro Orlando Pulzara Mora, doctor en Física de la UNAL, enfocó el estudio en el uso de los elementos semiconductores III y V de la tabla periódica.
Las tres mezclas fueron: (i) aluminio, galio y arsénico, (ii) indio, galio y arsénico, y (iii) galio, arsénico y nitrógeno. El galio se encuentra en pequeñas cantidades en algunos minerales de zinc (extraído comúnmente de depósitos de esfalerita) y aluminio; el arsénico se encuentra en minerales como la arsenopirita. La segunda fue la más eficiente.
“Estos elementos se seleccionaron por su facilidad de ser donantes, es decir que les sobran electrones hasta para compartir, y además son huecos, por lo que cuentan con espacios que permiten el paso de más electrones a través del material y que fluyan a través del semiconductor”, menciona el ingeniero Salgado.
Para lograr esta mixtura, las celdas se acoplaron a una temperatura entre 300 y 500 °C durante 3 horas mínimo y 8 máximo, con medidas de 5 mm x 5mm y un espesor inferior a 1 mm. El ancho de banda del silicio es de 1 electronvolt (eV), mientras con las mezclas indio y nitrógeno: 0,7 eV; galeno y nitrógeno 3,4 eV.
Estas celdas reforzadas son sumamente eficaces porque logran absorber todo el espectro visible de la radiación solar desde el infrarrojo hasta el ultravioleta, a diferencia de las fabricadas solo con silicio. Además, a las capas exteriores se les agregaron átomos de silicio y manganeso, un método físico conocido como “dopaje” que se utiliza para mejorar la conductividad eléctrica.
Al proceso se le conoce como “monounión”, es decir una sola celda compuesta de diferentes capas; si se quisiera hacer más gruesa o aumentar más su eficiencia, se conoce como “modelo tándem”.
La evaluación de las celdas se hizo con el apoyo del Centro de Investigación y de Estudios Avanzados del Instituto Politécnico Nacional en México (Cinvestav), en el que se utilizaron especialmente dos técnicas de medición: microscopia electrónica de barrido SEM y espectroscopia de rayos X de energía dispersiva EDS. La primera arroja una imagen de los componentes de cada una de las capas y la superficie de la celda y la segunda determina que realmente está compuesta por esos elementos añadidos con el rebote de los electrones.
También se usó la espectroscopia de fotoelectrones de rayos X (XPS), que se enfoca en la superficie de la muestra, ya que la idea es que absorba la mayor cantidad de fotones posibles. A diferencia de las otras dos técnicas de medición, esta no dice exactamente qué tipo de elemento químico hay, sino en qué enlace se encuentra (uniones entre elementos).
“Este aporte permitirá mejorar la productividad en paneles solares, con películas delgadas y más flexibles, con una alta eficiencia para competir en el mercado, en el que el aporte investigativo logra cumplir con la propuesta del trabajo que era identificar, crear y generar una descripción morfológica superficial y química de la celda, poder medir su eficiencia”, concluye el ingeniero Salgado.
