Investigadores del Instituto de Ciencias Fotónicas (ICFO) en Cataluña han descubierto una estrategia de pasivación in situ post-deposición para reducir los defectos superficiales en células solares ultrafinas de nanocristales procesadas en solución respetuosas con el medio ambiente, obteniendo así una mayor eficiencia de conversión de energía para este tipo de células solares.
El nanocristal de sulfuro de bismuto y plata coloidal (AgBiS2) es un material que se caracteriza por un coeficiente de absorción extremadamente alto y, por lo tanto, conduce a absorbentes de película ultrafina para células solares. Mediante un proceso de fabricación capa por capa, ya se han reportado células solares con niveles de rendimiento óptimos. Pero para minimizar la pérdida de material, reducir los costes y mejorar la escalabilidad de la fabricación, el método de deposición de varios pasos debe reemplazarse por un enfoque de un solo paso, según indican los expertos.
Esto se puede lograr mediante el desarrollo de tintas de nanocristales de AgBiS 2. Sin embargo, los nanocristales de AgBiS 2 resultantes aún presentan defectos superficiales significativos acompañados de una baja eficiencia de conversión de energía en una célula solar. Los defectos superficiales restantes atrapaban los portadores de carga eléctrica generados por la luz solar y desencadenaban su recombinación, reduciendo la eficiencia del dispositivo a niveles inferiores a los alcanzados con un procedimiento de fabricación capa por capa.
La investigación del ICFO, publicada en la revista Energy & Environmental Science, han informado sobre una estrategia de pasivación in situ posterior a la deposición (P-DIP) que mejora la pasivación de la superficie, produciendo películas de tinta nanocristalina con propiedades optoelectrónicas mejoradas. Las células solares ultrafinas resultantes mostraron una mayor eficiencia de conversión de energía que sus contrapartes de deposición de múltiples pasos, estableciendo un nuevo récord de rendimiento para las células solares nanocristalinas ecológicas.
Pasivación de la película de nanocristales en células solares
Los investigadores del ICFO lograron pasivar eficazmente los defectos superficiales presentes en su película de tinta de nanocristales. La eliminación de los defectos superficiales es muy importante para facilitar el transporte de los portadores de carga creados a partir de la absorción de luz en las películas de nanocristales. Con el método P-DIP del ICFO, los portadores de carga pueden moverse sin ‘chocar con tantos obstáculos’ dentro de la fina película de nanocristales de AgBiS2.
La mitigación de defectos mediante una estrategia de pasivación adecuada se tradujo en una mayor calidad de la película y, por lo tanto, en células solares de mayor rendimiento. Su eficiencia, de alrededor del 10%, superó la de las células solares anteriores basadas en nanocristales de AgBiS 2, que implicaban métodos de deposición tanto en un solo paso como capa por capa.
Para ello, el equipo sintetizó la tinta de nanocristales de AgBiS2 introduciendo un agente molecular multifuncional que contenía cloro. Su estructura molecular ayudó a estabilizar los nanocristales y a dispersarlos uniformemente dentro de la solución. Después de depositar la película, llevaron a cabo una pasivación adicional en las superficies de los nanocristales de AgBiS2, lo que extendió la vida útil del portador y equilibró el transporte del portador en la película. La combinación de estos efectos permitió lograr un rendimiento sin precedentes para células solares sostenibles.