Se ha dado un paso hacia módulos fotovoltaicos más eficientes. Un equipo internacional que incluye a profesores de la Universidad de Michigan ha invalidado el modelo que se usaba más comúnmente para explicar el comportamiento de una clase única de materiales, llamada aleación altamente despareja.

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Las aleaciones altamente desparejas, que todavía están en la etapa experimental de su desarrollo, son combinaciones de elementos que no se alearían naturalmente mediante las técnicas convencionales de crecimiento de cristales. La profesora Rachel Goldman las compara, en cierta medida, con la leche homogeneizada, en la cual la crema con alto contenido de grasa y la leche de bajo contenido de grasa, que naturalmente se separarían, son forzadas a mezclarse a alta presión.

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Los nuevos métodos de aleación, como la epitaxia de haz molecular, permiten que los investigadores combinen elementos muy dispares. Los resultados, dijo Goldman, son mucho más espectaculares que la leche homogeneizada.

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Las aleaciones altamente desparejas tienen propiedades muy raras. Una puede agregarle apenas una pizca de un elemento y eso cambia drásticamente las propiedades eléctricas y ópticas de la aleación.

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Goldman es profesora en los departamentos de Ciencia e Ingeniería de Materiales, y de Física. Su equipo incluyó a otros físicos e ingenieros de la UM como asimismo investigadores del Instituto Nacional Tendal, en Irlanda.

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Las placas fotovoltaicas absorben la energía de la luz solar y la convierten en electricidad. Sin embargo hay materiales diferentes que absorben la luz a diferentes longitudes de onda. Las placas fotovoltaicas más eficientes están hechas con materiales múltiples que, combinados, pueden capturar una porción mayor de la radiación electromagnética en la luz solar. Los módulos fotovoltaicos de hoy en día, incluido los mejores y más avanzados, no son capaces de aprovechar nada la luz infrarroja presente en los rayos solares.

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El equipo de Goldman hizo muestras de nitrido y arsenido de galio, una aleación altamente despareja y condimentada con nitrógeno, la cual puede aprovechar esa radiación infrarroja poco utilizada.

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Los investigadores usaron la epitaxia de haz molecular para forzar al nitrógeno a mezclarse con los otros elementos. La epitaxia de haz molecular consiste en la vaporización de muestras puras de los elementos heterogéneos y su combinación en vacío.

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A continuación los investigadores midieron la capacidad de la aleación para convertir el calor en electricidad. Los científicos querían determinar si las diez partes por millón de nitrógeno estaban distribuidas como átomos individuales o como grumos. Encontraron que, en algunos casos, los átomos de nitrógeno se habían agrupados contraviniendo lo que el modelo prevaleciente de “banda contra entrecruzamiento” predecía.

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Hemos demostrado experimentalmente que el modelo de banda contra entrecruzamiento es demasiado simple como para explicar las propiedades electrónicas de las aleaciones altamente desparejas. Ese modelo no explica cuantitativamente varias de las extraordinarias propiedades ópticas y electrónicas de esas aleaciones. Los grumos atómicos tienen un impacto significativo den las propiedades electrónicas de las películas de aleación.

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Si los investigadores aprenden a controlar la formación de estos grumos podrían producir materiales que sean más eficientes en la conversión de la luz y el calor a electricidad, dijo Goldman.

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Si tuviéramos a disposición una termoelectricidad de eficiencia más alta sería práctica la generación de electricidad a partir del calor que se desperdicia, como el que producen las plantas de energía y los motores de los vehículos.

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Añadió Goldman.

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Esta investigación acaba de publicarse en Internet en Physical Review B. El artículo lleva el título de “Nitrogen composition dependence of electron effective mass in gallium arsenide nitride”.

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Esta investigación la financian la Fundación Nacional de Ciencias, la Fundación de Ciencias de Irlanda, y el Centro para Conversión de Energía Solar y Térmica, un centro de Investigación Energética de Avanzada financiado por el Departamento de Energía de Estados Unidos.

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Fuente: Universidad de Michigan

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Imagen:  [1Creative Commons License credit: Universidad de Michigan

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