Un equipo internacional de investigadores del Instituto de Ciencias Fotónicas de Castelldefels (ICFO), el University College London y el Imperial College London ha hallado una nueva técnica, denominada ingeniería de desorden de cationes, para que las células solares inorgánicas ultrafinas logren un 9% de eficiencia, uno de los mayores niveles obtenidos hasta la fecha.
En la búsqueda de nuevas tecnologías para células solares delgadas que sean asequibles e inocuas y no presenten problemas de escasez de recursos, han surgido células solares basadas en nanocristales AgBiS2. Estos componentes están formados por elementos no tóxicos, abundantes en la tierra, producidos en condiciones ambientales a bajas temperaturas y económicamente rentables.
En 2016, se llevó a cabo una investigación que consiguió fabricar una célula solar absorbente de semiconductores de 35 nm de espesor, basada en nanocristales de AgBiS2. Estas células se sintetizaron a temperaturas muy bajas (100 ºC) y fueron diseñadas a nanoescala, a través de un proceso de deposición capa por capa. Como resultado se logró una eficiencia del orden del ~ 6%. Aunque eran una prometedora alternativa al silicio, estas células aún no eran capaces de lograr un rendimiento convincente para la comercialización.
Estudios posteriores han tratado de profundizar en formas de mejorar el rendimiento de los dispositivos. Uno de los hallazgos desvela que el espesor óptimo de estos absorbentes semiconductores está estrechamente relacionado con los coeficientes de absorción, por lo que el objetivo sería encontrar una celda solar ultrafina capaz de tener una alta eficiencia de absorción.
El inconveniente de estas celdas diseñadas en capas ultradelgadas es que cuanto más delgada sea su estructura, más complejo se vuelve el proceso de absorción de energía y mayor es su coste.
Ingeniería de desorden de cationes
Para superar este desafío, los investigadores del ICFO han dado un salto considerable logrando un resultado innovador. Su estudio informa sobre un método completamente nuevo para la fabricación de estas células solares basadas en AgBiS2, que permite coeficientes de absorción más altos que cualquier otro material fotovoltaico utilizado hasta la fecha.
En su estudio, los investigadores diseñaron la capa de nanocristales en la célula con una técnica poco convencional llamada ingeniería de desorden de cationes. Para hacer esto, tomaron los nanocristales de AgBiS2 y, mediante un proceso de recocido suave, pudieron ajustar las posiciones atómicas de los cationes dentro de la red para forzar un intercambio de cationes entre sitios y lograr una distribución homogénea.
Aplicando diferentes temperaturas de recocido y logrando distintas distribuciones de cationes en el arreglo cristalino, pudieron demostrar que este material semiconductor presenta un coeficiente de absorción entre 5 y 10 veces mayor que cualquier otro material utilizado actualmente en tecnología fotovoltaica y, más aún, a lo largo de un rango espectral que abarca desde el UV (400 nm) hasta el infrarrojo (1.000 nm).
Para ello, se necesitaba una nueva química de superficie con el fin de preservar la calidad optoelectrónica de los nanocristales tras el recocido. Por lo tanto, los autores utilizaron ácido mercaptopropiónico que conservó la calidad del material tras el proceso.
Eficiencia certificada
Con estos resultados, construyeron una célula solar procesada en solución ultrafina depositando los nanocristales de AgBiS2, capa por capa, sobre ITO/Glass, los sustratos de óxido conductor transparente más utilizados, entre otros. Recubrieron los dispositivos con una solución de PTAA (politriarilamina) y, al iluminar el dispositivo con luz solar artificial, registraron una eficiencia de conversión de energía superior al 9% para un dispositivo con un grosor total no superior a 100 nm, entre 10 y 50 veces más delgado que las tecnologías fotovoltaicas de película delgada actuales y mil veces más delgado que el silicio fotovoltaico.
Uno de los dispositivos se envió a un laboratorio de calibración fotovoltaico (PV) acreditado en Newport, EE.UU., que certificó una eficiencia de conversión del 8,85% bajo iluminación de pleno sol AM 1,5G.
Después de tomar el control del proceso y la optimización de la pila completa, incluida la optimización de las capas de transporte de electrones y huecos, los investigadores finalmente encontraron una estructura altamente reproducible para células solares eficientes con una estabilidad mejorada.