Nuevo proceso para reducir el uso de germanio en células GaAs

Un equipo de investigadores de la Universidad de Sheerbroke, en Quebec, anunció la creación de un material de germanio nanoporoso (np-Ge) que podría mejorar la eficiencia de las células solares de unión múltiple basadas en elementos III-V como el arseniuro de galio.

En el artículo titulado “Uprooting defects to enable high-performance III–V optoelectronic devices on silicon“, publicado en la revista científica Nature, los científicos explicaron que su enfoque se basa en una reducción máxima del uso de germanio, cuya disponibilidad es muy limitada en comparación con el silicio, en un dispositivo epitaxial de alto rendimiento que desarrollaron para ser integrado en células solares y otros dispositivos semiconductores.

Los investigadores depositaron una capa de germanio de 2 μm, 100 veces menos que el grosor de una hoja de papel, sobre un soporte mecánico para absorber la luz. Describieron el proceso como un desafío científico y tecnológico importante debido al pequeño tamaño del dispositivo y, en particular, a los defectos en el proceso de deposición que pueden reducir el rendimiento de las células solares.

Proceso de dos pasos

Los científicos dicen haber encontrado una manera de eliminar las dislocaciones de hilo en la superficie del material np-Ge mediante el grabado electroquímico profundo y selectivo seguido de un proceso de recocido térmico.

Los investigadores explicaron que el proceso de dos pasos crea nanovacíos que atraen las indeseadas dislocaciones, facilitando su aniquilación. “Los dispositivos como fotodetectores, células solares de unión múltiple, microprocesadores [y] moduladores, basados ​​en tecnología Ge-on-Si [germanio sobre silicio] deben abordar estos problemas para cumplir con los estándares de la industria”, se puede leer en el estudio.

Las mediciones de catodoluminiscencia han demostrado que el proceso crea nanovacíos que aumentan las probabilidades de recombinación de las dislocaciones de hilo, reduciendo significativamente su presencia en la capa de germanio modificado. “Los nanovocíos se forman en la capa de germanio, así como en el sustrato de silicio por porosificación electroquímica, seguido de recocido térmico, creando una nueva configuración llamada sustrato virtual Ge / Si basado en nanovacíos”, dice el documento.

Reducción de costes

Los científicos informan de que los métodos utilizados anteriormente para eliminar la densidad de las dislocaciones de hilos se limitaban a escalas pequeñas y requerían el uso de tecnologías costosas y complejas. “El ahorro de costos por celda solar puede ser tan alto como 75% cuando se consideran los precios mucho más bajos y las áreas más grandes de obleas de silicio”, dicen.

La investigación sobre las aplicaciones del germanio a la energía solar sigue desarrollándose a través de varios proyectos anunciados en los últimos dos años.

Estos incluyen un método para producir células solares de arseniuro de galio con un sustrato de germanio reutilizable, desarrollado por científicos del Laboratorio Nacional de Energía Renovable (NREL) de EE. UU. Y el Instituto Coreano de Ciencia y Tecnología y una célula solar ultra delgada de arseniuro de galio hecha por un equipo de investigadores del Instituto Alemán Fraunhofer ISE y el Centro Francés de Nanociencias y Nanotecnologías (C2N de la Universidad Paris Sud).

El costo de producir células solares basadas en compuestos de materiales III-V, nombrados por los grupos de tablas periódicas de los elementos a los que pertenecen, ha limitado estos dispositivos a aplicaciones de nicho, especialmente drones y satélites, para los cuales el bajo peso y la alta eficiencia son más importantes que los costos en relación con la energía producida.