Los investigadores de la Universidad de Lehigh en Pensilvania (Estados Unidos) han desarrollado un material cuántico atómicamente delgado denominado CuxGeSe/SnS, como parte de una nueva clase de materiales que pueden mejorar significativamente la eficiencia de las células solares.
Un prototipo simulado que emplea este material en la capa activa de una célula solar mostró una tasa de absorción fotovoltaica promedio del 80%, una alta tasa de generación de portadores fotoexcitados y una eficiencia cuántica externa (EQE) que alcanzó un 190%. Se trata de una medida que hasta ahora supera el límite teórico de eficiencia de Shockley-Queisser para materiales basados en silicio y lleva el campo de los materiales cuánticos para la energía fotovoltaica a nuevos límites. La investigación se ha publicado en la revista científica Science Advances.
La notable eficiencia del material se debe en gran medida a sus estados de banda intermedia. Estos estados presentan niveles de energía ubicados dentro de subbandas prohibidas, que van desde aproximadamente 0,78 a 1,26 eV, ideales para una absorción eficiente de la luz solar y la producción de portadores de carga. Además, el material se comporta especialmente bien con altos niveles de absorción en las regiones infrarroja y visible del espectro electromagnético.
Normalmente, las células solares tradicionales alcanzan una EQE máxima del 100%, lo que se correlaciona con la generación y recolección de un electrón por cada fotón absorbido. Sin embargo, el material desarrollado por los expertos de Lehigh utiliza estados de banda intermedia para capturar la energía de los fotones que normalmente se pierde en las células convencionales, incluida la energía perdida por reflexión y producción de calor.
El material se diferencia de otros semiconductores de banda intermedia en que alberga estados IB sin alteraciones significativas en la estructura cristalina o la introducción de defectos. Los átomos de cobre intercalados inducen efectos que normalmente se logran mediante un fuerte dopaje.
Mayor eficiencia en la conversión de energía solar
El nuevo material se desarrolló utilizando espacios de van der Waals, espacios minúsculos entre capas de materiales bidimensionales que pueden albergar átomos, moléculas o iones. Al intercalar átomos de cobre de valencia cero entre capas de seleniuro de germanio (GeSe) y sulfuro de estaño (SnS), los investigadores ajustaron las propiedades del material para mejorar su rendimiento fotovoltaico.
Aunque la integración del material cuántico diseñado en los sistemas actuales de energía solar requerirá más investigación y desarrollo, los investigadores señalan que la técnica experimental utilizada para crear estos materiales ya está muy avanzada. Su rápida respuesta y mayor eficiencia indican el potencial del GeSe/SnS intercalado con cobre como material cuántico para su uso en aplicaciones fotovoltaicas avanzadas, ofreciendo una vía para mejorar la eficiencia en la conversión de energía solar.
Más allá del rendimiento mejorado en aplicaciones solares, el material ofrece ventajas adicionales en términos de sostenibilidad medioambiental. El cobre y el germanio son materiales menos tóxicos que los materiales a base de plomo utilizados en algunos paneles solares. Además, el GeSe es un recurso accesible, seis veces más abundante que el antimonio (Sb), un elemento utilizado actualmente en muchas células solares de película delgada.