Un equipo internacional de investigadores ha desarrollado un nuevo enfoque para la fabricación de células solares basadas en AgBiS2 que permiten coeficientes de absorción superiores a cualquier otro material fotovoltaico utilizado hasta la fecha.
Hace unos años, las células solares basadas en nanocristales AgBiS2 surgieron como jugadores estrella en el juego, ya que consisten en elementos no tóxicos abundantes en la tierra, producidos en condiciones ambientales a bajas temperaturas y con técnicas de procesamiento de solución de bajo costo.
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Pero a pesar de que eran una alternativa verde prometedora al silicio, estas células aún no eran capaces de lograr un rendimiento convincente relevante para la comercialización.
Los científicos, por lo tanto, profundizaron en formas de mejorar su rendimiento y descubrieron que el grosor óptimo de estos absorbentes de semiconductores está estrechamente relacionado con los coeficientes de absorción. Esto significaba que tenían que encontrar una célula solar ultrafina capaz de tener una alta eficiencia de absorción, eficiencia cuántica y máximo rendimiento al mismo tiempo que reducía el costo, el peso y la fabricación.
Pero, al apuntar a una celda de capas ultradelgadas, lidiar con estructuras que atrapan la luz agregaría costo y complejidad al problema porque cuanto más delgada es la estructura, más complejo se vuelve absorber energía.
Aquí es donde entra el nuevo desarrollo.
En un artículo publicado en la revista Nature Photonics, los investigadores, con base en el Instituto de Ciencias Fotónicas de España, University College London e Imperial College London: explica cómo diseñaron una capa de nanocristales en la célula con un enfoque no convencional llamado ingeniería de trastornos catiónicos.
Encontrar el orden en el desorden
En detalle, 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 de cationes homogénea.
Aplicando diferentes temperaturas de recocido y logrando diferentes distribuciones de cationes en el arreglo cristalino, pudieron demostrar que este material semiconductor exhibe un coeficiente de absorción 5-10 veces mayor que cualquier otro material utilizado actualmente en tecnología fotovoltaica y, más aún, en un rango espectral que abarca desde la UV (400nm) al infrarrojo (1000nm).
En el estudio, los expertos señalan que se necesitaba una nueva química superficial para este nuevo material con el fin de preservar la calidad optoelectrónica de los nanocristales tras el recocido. Por lo tanto, hicieron uso del ácido mercaptopropiónico como ligando pasivante.
“La importancia del desorden atómico en las células solares inorgánicas emergentes es actualmente un tema candente de discusión en el campo”, dijo Seán Kavanagh, coautor del estudio, en un comunicado de prensa.
“Nuestras investigaciones teóricas de la termodinámica y los efectos ópticos/electrónicos del desorden catiónico en AgBiS2 revelaron tanto la accesibilidad de la redistribución de cationes como el fuerte impacto de esto en las propiedades optoelectrónicas. Nuestros cálculos revelaron que una distribución homogénea de cationes produciría un rendimiento óptimo de las células solares en estos materiales desordenados, lo que corrobora los descubrimientos experimentales como testimonio de la sinergia entre la teoría y el experimento”.
Delgado y eficiente
Kavanagh explicó que con este resultado, él y sus colegas construyeron una célula solar procesada en solución ultrafina depositando los nanocristales de AgBiS2, capa por capa, sobre ITO/vidrio, los sustratos de óxido conductor transparente más utilizados. Recubrieron los dispositivos con una solución de politriaril amina 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, 10-50 veces más delgado que las actuales tecnologías fotovoltaicas de película delgada y 1000 veces más delgado que los fotovoltaicos de silicio.
A continuación, se envió uno de los dispositivos campeones a un laboratorio de calibración fotovoltaica acreditado en Newport, EE. UU., que certificó una eficiencia de conversión del 8.85% bajo AM 1.5G iluminación a pleno sol.
«Los dispositivos informados en este estudio establecieron un récord entre las células solares inorgánicas ecológicas de baja temperatura y procesadas en solución en términos de estabilidad, factor de forma y rendimiento», dijo el coautor Gerasimos Konstantatos.
“La ingeniería de los sistemas multinarios con nanocristales coloidales AgBiS2 desordenados con cationes ha demostrado ofrecer un coeficiente de absorción más alto que cualquier otro material fotovoltaico utilizado hasta la fecha, lo que permite dispositivos fotovoltaicos absorbentes extremadamente delgados y altamente eficientes. Estamos encantados con los resultados y continuaremos avanzando en esta línea de estudio para explotar sus intrigantes propiedades en la energía fotovoltaica , así como en otros dispositivos optoelectrónicos”.
