Logran una eficiencia sin precedentes de celdas solares ultrafinas

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Las celdas solares ultrafinas han alcanzado una eficiencia sin precedentes gracias a un método de fabricación novedoso que introduce tipos específicos de trastornos en la estructura nanocristalina de las celdas.

El bajo costo, la masa reducida y la naturaleza no tóxica de este tipo de celdas las hace ideales para la integración en automóviles, techos o dispositivos móviles, y la nueva forma simplificada de fabricarlas allana el camino para su producción a gran escala.

Las células solares convencionales basadas en silicio son muy eficientes en la generación de electricidad a partir de la luz solar.

Sin embargo, fabricarlas es un proceso costoso y que consume energía, y los dispositivos resultantes son pesados y voluminosos.

Las celdas solares de película delgada son una alternativa atractiva en algunos aspectos, pero a menudo contienen elementos que son tóxicos (como plomo o cadmio) o escasos y costosos (como indio o telurio).

A mediados de la década de 2010, surgió otra alternativa cuando investigadores del Instituto de Ciencias Fotónicas (ICFO) de España desarrollaron una celda no tóxica y de bajo costo basada en nanocristales de AgBiS₂.

Estos nanocristales se pueden fabricar en una celda solar de solo 35 nm de espesor a través de un proceso de deposición capa por capa, pero con una eficiencia de alrededor del 6 % en comparación con el 25 % o más del silicio, el material aún no era comercialmente competitivo.

Para aumentar la absorbancia óptica de las células basadas en AgBiS₂, los investigadores del ICFO, junto con colaboradores del University College y el Imperial College del Reino Unido, investigaron el impacto que tienen los iones positivos desordenados (cationes) en las propiedades optoelectrónicas del material.

Después de encontrar evidencia de falta de homogeneidad debido a las áreas ricas en Ag o Bi que se forman dentro de los nanocristales, utilizaron los cálculos de la teoría funcional de la densidad (DFT) para determinar los efectos de estas falta de homogeneidad.

Sobre la base de estos cálculos, concluyeron, de forma un tanto contraria a la intuición, que la colocación cuidadosa de los defectos en la red cristalina, una técnica que denominan “ingeniería de desorden de cationes”, da como resultado una distribución de cationes más homogénea porque promueve la migración iónica.

Luego utilizaron un proceso llamado recocido a baja temperatura para producir muestras de AgBiS₂ con las características especificadas.

Cuando los investigadores colocaron las celdas fabricadas con el material optimizado bajo la luz solar artificial, registraron una eficiencia de conversión de energía superior al 9 %, un récord para este tipo de celdas solares ultrafinas.

También vieron absorbancia en un amplio rango espectral, desde ultravioleta (400 nm) hasta infrarrojo (1000 nm).

Su dispositivo, que fabricaron en vidrio/óxido de indio y estaño y lo recubrieron con una solución de politriarilamina, no tiene más de 100 nm de espesor, lo que lo hace entre 10 y 50 veces más delgado que las tecnologías fotovoltaicas (PV) de película delgada actuales y 1000 veces más delgado que el PV de silicio.

El físico del ICFO Gerasimos Konstantatos, quien dirigió la investigación dice que el trabajo del equipo demuestra por primera vez cómo cambiar el orden atómico de un material afecta sus propiedades optoelectrónicas.

Este tipo de ingeniería de materiales también podría resultar útil en otros campos, como la catálisis, y Konstantatos señala que el método del equipo cumple muchos requisitos para la industria fotovoltaica, incluido el bajo costo, la escalabilidad y el uso de elementos no tóxicos.

Alwin Daus, investigador de la Universidad RWTH Aachen en Alemania que no participó en el estudio ICFO, dice que comprender cómo se desarrolla la segregación de cationes y cómo controlarla podría resultar importante para las tecnologías solares de película delgada de bajo costo.

Agrega que el proceso de fabricación del equipo parece ideal para escalar.

Sin embargo, Daus sugiere que el uso de nanocristales de ~6 nm de diámetro podría suponer una barrera para mejorar aún más la eficiencia, ya que la longitud de difusión de los portadores de carga en este tipo de material es de solo unos 25 nm.

Sin embargo, enfatiza que la investigación es importante debido a la gran demanda dentro de la comunidad solar de compuestos inorgánicos de células solares estables y respetuosos con el medio ambiente.

Konstantatos dice que el equipo ahora planea aumentar el voltaje de circuito abierto (Voc) de las celdas, que actualmente es de 0,5 V.

“El Voc es una medida de cuánto voltaje se puede extraer de la celda solar y se relaciona con la banda prohibida del semiconductor.

Uno debería esperar alcanzar un valor tan alto como 0,7–0,8 V”.

Fuente: Nature