Nuevo enfoque de síntesis para conglomerados de silicio soluble
Anticiparse a las células solares de silicio con una eficiencia significativamente mejorada
Los cálculos teóricos indican que bajo ciertas condiciones el silicio puede dotar a las células solares de una eficiencia mucho mayor. Los pequeños grupos de silicio pueden proporcionar una fuente de silicio modificado en consecuencia. Sin embargo, hasta la fecha no se ha podido acceder a estos clusters en forma soluble, un requisito previo para un procesamiento flexible. Los investigadores de la Universidad Técnica de Munich (TUM) han descubierto un enfoque de síntesis simple.
En una simple reacción de dos pasos, los científicos del laboratorio del Prof. Fässler producen grupos de silicona de nueve átomos en forma soluble.
U. Benz / TUM
A partir de grupos de silicona de nueve átomos, se pueden conseguir estructuras más grandes. Los teóricos esperan obtener materiales que tengan una separación directa entre las bandas y que, por lo tanto, permitan obtener células solares mucho más eficientes.
A. J. Karttunen / Aalto Universität
Hoy en día, las mejores células solares de silicio del mundo tienen una eficiencia del 24 por ciento. El límite teórico es de alrededor del 29%. "Esto se debe a que el silicio cristaliza normalmente en una estructura de diamante que sólo proporciona una separación de banda indirecta", explica Thomas Fässler, profesor de Química Inorgánica en Focus on New Materials en la Universidad Técnica de Munich.
Los investigadores sueñan con materiales en los que los átomos de silicio estén dispuestos de forma que se cree una brecha de banda directa que puedan explotar para la producción de energía solar. Los científicos ven estos pequeños cúmulos de silicio como compuestos modelo para este propósito porque los átomos pueden ser dispuestos de manera diferente que en el silicio cristalino.
"Este tipo de compuestos también son interesantes para una variedad de otros experimentos químicos", dice el profesor Fässler. "Usando sólo unos pocos pasos de síntesis podemos ahora unir cuatro y nueve átomos de silicio en tetraedros o estructuras casi esféricas. Sin embargo, en el pasado, la síntesis y el aislamiento de los cúmulos atómicos era muy laborioso. Ahora, hemos dado un importante paso adelante".
Un grupo de nueve átomos de silicio
La fusión de potasio y silicio da como resultado un compuesto con 12 átomos de potasio y 17 de silicio, un polvo gris. El primer autor, Lorenz Schiegerl, logró estabilizar los grupos de nueve átomos solubles en amoníaco líquido con un truco ingenioso: añadió una molécula orgánica al amoníaco que encapsula los átomos de potasio.
"Esta simple síntesis, a partir del silicio elemental, abre la puerta a innumerables experimentos químicos con estos cúmulos", dice el profesor Fässler. "En la piridina solvente, por ejemplo, el cúmulo es estabilizado por dos átomos de hidrógeno, similares a los supuestos intermediarios en la producción a gran escala de silicio policristalino, que se prepara utilizando silanos o clorosilanos para módulos de células solares disponibles en el mercado".
Creación de nuevas estructuras
Particularmente prometedor es otro camino de reacción para obtener compuestos hechos de conglomerados de silicio. Aquí, tres de los nueve átomos de silicio se combinan con moléculas que a su vez contienen silicio o, por ejemplo, carbono o estaño. En estas soluciones de color marrón rojizo se encuentran los racimos con las mayores concentraciones de silicio conocidas en la actualidad. Esto abre nuevas posibilidades para depositar silicio con estructuras modificadas fuera de solución.
"Extendiendo esta línea de pensamiento, también debería ser posible construir estructuras de silicio más grandes utilizando grupos de grupos. Eso casi cerraría la brecha entre las aspiraciones de los teóricos", dice el profesor Fässler. "En cualquier caso, hemos abierto la puerta a una nueva y fascinante química."
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Publicación original
L. J. Schiegerl, A. J. Karttunen, W. Klein, T. F. Fässler; "Silicon Clusters with Six and Seven Unsubstituted Vertices via a Two-step Reaction from Elemental Silicon"; Chemical Science; 2019.
L. J. Schiegerl, A. J. Karttunen, J. Tillmann, S. Geier, G. Raudaschl-Sieber, M. Waibel, T. F. Fässler; "Charged Si9 Clusters in Neat Solids and the Detection of [H2Si9]2- in Solution – A Combined NMR, Raman, Mass Spectrometric, and Quantum Chemical Investigation"; Angew. Chem. Int. Ed.; 2018.
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