Reducir oxígeno y carbón aumentaría eficiencia energética de paneles solares y celulares

 Después de crear las láminas microscópicamente delgadas para conducir energía –corriente o luz–, las cuales suelen utilizarse en paneles solares y en dispositivos láser y electrónicos como el celular, se presentó un 23 % de impurezas por alta presencia de oxígeno y 19 % de carbón, datos que sirven para determinar que su rendimiento energético es bajo.

En los paneles solares la ineficiencia energética hace referencia a sus limitantes para alcanzar un rendimiento óptimo en la conversión de la luz solar en electricidad; aunque esto depende de factores como la sombra de un árbol o la antigüedad del dispositivo, también se relaciona con la composición química con la que se creó la lámina conductora de energía.

Para comparar los factores químicos que influyen en esta deficiencia, a partir de indio, galio y nitrógeno, el ingeniero físico Andrey Alessandro Rodríguez Ospina elaboró láminas con espesores imperceptibles al ojo humano (20 micrómetros, más finos que el filo de una hoja de papel) y con una dimensión de apenas 1 cm de ancho y largo, trabajo que adelantó en el Laboratorio de Nanoestructuras Semiconductoras de la Universidad Nacional de Colombia (UNAL) Sede Manizales.

El indio –un metal poco abundante– es crucial en la fabricación de láminas debido a su baja fusión y maleabilidad; no suele encontrarse en forma pura en la naturaleza y a menudo se extrae como subproducto del zinc.

Por su parte el galio, presente especialmente como un subproducto de la extracción de aluminio, mejora las propiedades eléctricas por su bajo punto de fusión.

Y el nitrógeno, al formar compuestos, puede fortalecer las láminas proporcionando resistencia y estabilidad en diversas aplicaciones. Comercialmente se obtiene a través de procesos como la destilación fraccionada del aire.

Este trabajo se encuentra en la línea de investigación del profesor Álvaro Pulzara Mora, del Departamento de Física y Química de la UNAL Sede Manizales, quien, como integrante del grupo de investigación Magnetismo y Materiales Avanzados, ha realizado valiosos aportes al desarrollo de nuevas técnicas para elaborar materiales semiconductores dirigidos a distintos dispositivos tecnológicos.

Alta tecnología

Las láminas se crearon mediante pulverización catódica con un magnetrón sputtering, equipo que contiene un blanco de los elementos como indio, galio y nitrógeno (cátodos). En esta cámara de vacío se introduce gas argón para generar un plasma. Así, los iones resultantes colisionan con el blanco liberando átomos del material objetivo. Estos se depositan en un sustrato, como la lámina de cobre, formando una película delgada con propiedades específicas.

Se utilizó la técnica magnetrón sputtering con un sustrato de silicio y dos blancos hechos de indio y nitruro de galio, con una pureza del 99,9 %. “Los materiales se depositaron en una atmósfera de argón a baja presión de 5,5 × 10-2 Torr (unidad de presión) y la temperatura de las muestras se controló a 300 y 400 °C; una primera muestra con 10 escáneres en 1 minuto y 55 segundos, y otra con 20 escáneres de 3 minutos 40 segundos”, amplía el ingeniero físico. El escáner hace referencia al número de veces que se repasó para analizarlos.

“Es importante usar el argón (gas incoloro, inodoro e insípido), ya que el tamaño de su átomo es óptimo para generar la separación de las partículas, y además no contamina la muestra. El proceso puede tardar entre 30 minutos o más de dos horas, según el tamaño de la muestra”, explica el ingeniero.

En otra fase del estudio, y para entender la composición química de la superficie del material, en el Laboratorio del Centro de Investigación y de Estudios Avanzados del Instituto Politécnico Nacional (Cinestav) en México, se utilizó el método por espectroscopia de fotoelectrones por rayos X (XPS), que permite ver los átomos en la superficie de un material al analizar la energía de los electrones expulsados cuando es bombardeado con rayos X.

El análisis de la muestra reveló la presencia de enlaces de indio con oxígeno, e indio y nitrógeno, y de galio con nitrógeno. Además, se observaron similitudes en la composición superficial y en los enlaces químicos entre las muestras a 300 y 400 °C, destacando la estabilidad general.

Sin embargo, se identificaron diferencias notables como el aumento del enlace nitrógeno-indio a temperaturas más elevadas. También se evidenció la importancia de considerar la temperatura en la formación de enlaces de carbono, en especial en presencia de silicio como sustrato.

“En la caracterización se determinó la presencia de más del 23 % de oxígeno y más del 19 % de carbón, que no es poco, considerados como impurezas que limitan la eficiencia de energía”. Pese a ello, no es posible eliminarlas del todo, ya que, “por más potente que sea el magnetrón, lo que se puede hacer es dejar las moléculas en su mínima expresión, máximo a un 5 o 10 %, pero no podrán desaparecer por completo”, explica el ingeniero.

Anota además que incluso para todo el proceso de elaboración, primero es necesario vaciar o liberar toda la carga de los elementos dentro del magnetrón entre 2 y 5 días para prepararlo. “Si se lograra reducir esas impurezas, por ejemplo la eficiencia de un panel solar pasaría del estándar, que es entre un 28 y 30 % de uso de energía del 100 % que recibe, a un 50 %”.

El estudio es muy importante ya que proporciona información sobre la composición de los materiales empleados en la producción industrial de semiconductores, utilizados cada vez más en nuestra cotidianidad.