Materiales híbridos para el desarrollo de futuras células solares
febrero 8, 2013
Las nanopartículas semiconductoras, también llamadas puntos cuánticos presentan propiedades ópticas únicas en comparación con los colorantes orgánicos tradicionales. Debido al confinamiento cuántico, estas partículas emiten luz en un rango sintonizable de longitudes de onda. Es posible manipular el color de su emisión simplemente variando su tamaño y composición química. Estas nanopartículas presentan un espectro amplio de absorción y estrecho de emisión, además de una gran sección eficaz.
Recubriendo estas nanopartículas de unas pocas capas atómicas de ciertos materiales semiconductores podemos conseguir bien aumentar su eficiencia e incrementar su estabilidad frente a procesos superficiales que destruyen la fluorescencia o bien evitar dicha fluorescencia separando portadores eléctricos, lo que amplía las aplicaciones de estos materiales en sistemas fotovoltaicos. Debido a sus extraordinarias propiedades ópticas, las nanopartículas semiconductoras están siendo ampliamente estudiadas en diferentes disciplinas desde la óptica hasta la biomedicina.
Gracias al exhaustivo trabajo de síntesis química de estos cristales por métodos coloidales realizado durante los últimos 20 años, hoy es posible producir dichos materiales controlando su tamaño, forma y propiedades superficiales. Existe un amplio rango de materiales que pueden sintetizarse en forma de nanopartículas por métodos coloidales no hidrolíticos. Entre ellos, el más estudiado es el seleniuro de cadmio (CdSe), con emisión sintonizable desde el azul hasta el rojo, pero también se pueden sintetizar nanoparticulas de CdS, CdTe, InP, GaAs, PbS, PbSe entre otros, lo que permite sintonizar las propiedades ópticas desde el rango Ultravioleta hasta el Infrarojo cercano del espectro. Debido a los métodos de síntesis utilizados, la superficie de estas partículas está cubierta de moléculas orgánicas (ligandos) que la protegen. Estos ligandos juegan un papel relevante no sólo para mejorar la eficiencia cuántica de la nanopartícula sino también su reactividad y estabilidad en diferentes medios ya sean líquidos o sólidos.
Hoy en día existen procedimientos que permiten modificar o reemplazar a voluntad la naturaleza de estos ligandos y hacer que nanopartículas estables en medios orgánicos, lo sean en medios acuosos sin un agresivo detrimento de su eficiencia cuántica.
Esta capa de ligandos repercute negativamente en sus propiedades de transporte. Sin embargo podemos aprovechar las extraordinarias propiedades eléctricas de los nanotubos de carbono para beneficiarnos de lo mejor de ambos mundos. El enrollamiento de una o varias capas de grafito constituyen los nanotubos de carbono de pared simple o múltiple respectivamente.
La combinación de nanopartículas semiconductoras y nanotubos de carbono supone una simbiosis perfecta mezclando la eficiente absorción de luz de las nanopartículas y la conducción eléctrica de los nanotubos. El principal inconveniente a la hora de combinar dichos materiales es el control sobre el tipo de interacción de los mismos. Existen procedimientos basados de deposición de partículas sobre nanotubos basados en la generación de las mismas sobre defectos generados en las paredes y/o extremos del nanotubo. En general, la funcionalización covalente del nanotubo repercute negativamente en sus propiedades eléctricas.
Por ello, la funcionalización a través de interacciones supramoleculares o de naturaleza electrostática es recomendable para aplicaciones fotovoltaicas.
La Dra. Beatriz H. Juárez, investigadora de IMDEA Nanociencia trabaja en la generación de materiales compuestos de nanopartículas y nanotubos por medios que permitan un óptimo y homogéneo recubrimiento del tubo sin dañar sus propiedades eléctricas así como una alta calidad cristalográfica de las partículas y un óptimo contacto con el tubo. De esta manera, es posible generar fotocorriente, inyectando eficientemente portadores desde las nanopartículas hasta el tubo. Aunque en un estadio inicial de la investigación, los resultados hasta la fecha sugieren que dichos materiales híbridos tienen un alto potencial para el desarrollo de futuras células solares y dispositivos fotovoltaicos.
