El silicio se somete a tensión

La presencia de estructuras huecas en Si tensionado ofrece una oportunidad única para aprovechar sus extrañas propiedades en aplicaciones fotovoltaicas (PV). Mediante la irradiación con iones ligeros, el Si tensionado (que se obtiene poniendo capas de silicio-germanio (SiGe) y Si sobre un substrato de silicio) da lugar a la formación de nanopuntos y nanohuecos. Por el momento, sus inusuales propiedades electrónicas y ópticas no se han estudiado experimentalmente en configuraciones de celdas solares.

El proyecto «Nano-voids in strained silicon for plasmonics» (NOVOSIP), financiado por la Unión Europea, ofreció una configuración de dispositivo PV para estudiar estructuras tensionadas de Si/SiGe con huecos. Los científicos pretendían colocar nanopuntos y nanohuecos en una capa emisora altamente dopada próxima a la unión p-n con el fin de extender los efectos de campo próximo hasta la zona de deplexión. Así, estos efectos podrían aumentar la multiplicación de los portadores y aumentar la dispersión de la luz debido a los efectos de campo lejano. Ambas cosas podrían mejorar la absorción de la luz solar.

Los investigadores utilizaron distintos métodos para investigar las propiedades estructurales, ópticas y electrónicas de las capas tensionadas formadas periódicamente. La intención era utilizar los hallazgos a fin de preparar estructuras plasmónicas para dispositivos PV a base de Si, sensores de gases en estado sólido y dispositivos optoelectrónicos.

Mediante la irradiación con iones a alta temperatura de la estructura de Si/SiSn/Si, los científicos obtuvieron nanohuecos autoensamblados con forma esférica y precipitados de estaño (Sn) tensionados. Estas estructuras ofrecen muchas posibilidades para aplicaciones optoelectrónicas como los dispositivos PV o los emisores de luz.

Mediante la implantación de iones de carbono y el tratamiento térmico, los científicos observaron la formación de nanocopos de carbono en la estructura multicapa tensionada de Si/SiGe/Si. La estructura cristalina de los copos permite a los cristales absorber toda la luz, lo cual conlleva la posibilidad de lograr tasas de conversión de energía muy elevadas.

El equipo desarrolló y propuso un nuevo concepto de autoensamblaje de nanoampollas y nanopartículas metálicas en las heteroestructuras tensionadas de Si/SiGe. Las nanoampollas metálicas pueden investigarse más a fondo en las estructuras de las celdas solares para mostrar efectos plasmónicos. Finalmente, NOVOSIP demostró efectos de detección de gases relacionados con las estructuras plasmónicas en una capa de nanocompuesto basada en dióxido de estaño (SnO2) con huecos.

Los principales desafíos a los que se enfrenta el diseño de celdas solares son el aumento de la eficiencia y la reducción de costes. Mediante la investigación experimental de las estructuras plasmónicas en multicapas de silicio tensionado, NOVOSIP allanó el camino para mejorar la captación de luz en celdas solares.