Nuevo proceso crea células solares de kesterita con 10% de eficiencia

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Un grupo de científicos alemanes ha creado un nuevo proceso para la formación de una fase de kesterita pura Cu2ZnSnSe4 (CZTSe), para facilitar el desarrollo de una célula solar con una eficiencia superior al 10%.

Los investigadores describen el proceso en el artículo “Reaction Pathway for Efficient Cu2ZnSnSe4 Solar Cells from Alloyed Cu-Sn Precursor via a Cu-Rich Selenization Stage”, publicado en RRL Solar. El método ofrece una forma diferente de controlar la composición y la calidad del material.

 

El proceso habitual para el cultivo de la kesterita es la selenización de capas metálicas elementales apiladas de cobre (Cu), estaño (Sn) y zinc (Zn). Este proceso, que también implica una ruta de reacción que contiene seleniatos binarios, debe realizarse a temperaturas de recocido de 500 C a 550 C, pero eso hace que la ruta de reacción sea propensa a las pérdidas de estaño.

El proceso propuesto, en cambio, se basa en precursores elementales y aleados apilados y en una estructura de precursores de Zn/Cu-Sn/Zn. Según el equipo de investigación, el precursor de las capas apiladas de aleación elemental (SEAL) que consiste en una aleación de Cu-Sn y capas elementales de Zn ofrece un mejor control del proceso debido a sus ventajas, como la mejora de la homogeneidad del material y la supresión de las mencionadas pérdidas de estaño.

“Demostramos que comenzando con el precursor SEAL y la selenización sin segregación de aleación proporcionan una ruta de formación de CZTSe kesterita sin pérdida de Sn detectable por fluorescencia de rayos X”, escribieron los científicos. “Como consecuencia de la composición inicial rica en Cu y la unión del Sn en la estructura de la aleación, la formación y la subsiguiente evaporación de las fases de SnSe2-x en la reacción se reducen significativamente, evitando la pérdida de Sn de la capa durante el proceso de selenización”.

El proceso propuesto muestra además la posibilidad de un cambio en la composición de la muestra durante el proceso, que pasaría de ser inicialmente rica en Cu a ser finalmente pobre en Cu. “Esto permite diseñar una vía de reacción y composición definida a lo largo del proceso, lo que podría ser un enfoque novedoso para alcanzar mayores eficiencias en las células solares, como se conoce en el procesamiento de células solares CIGSe de alta eficiencia”, explicaron además los científicos.

La kesterita es uno de los materiales absorbentes de luz más prometedores en su papel como candidato para su posible uso en células solares de película delgada de bajo costo. Las kesteritas están compuestas por elementos comunes, como cobre, estaño, zinc y selenio y, a diferencia de los compuestos de cobre, indio, galio y seleniuro (CIGS), no se prevé que haya cuellos de botella en su suministro en el futuro. Sin embargo, así como los materiales CIGS actualmente son capaz de proporcionar eficiencias celulares cercanas al 20%, las kesteritas han logrado hasta ahora eficiencias de solo el 12,6%.

En diciembre, investigadores estonios anunciaron el desarrollo de una nueva tecnología de polvo monogénico hecho de microcristales, que puede formar células solares de kesterita en miniatura conectadas en paralelo en un módulo grande. Al sustituir el cobre por plata en el material absorbente, los investigadores lograron una eficiencia del 8,7%.

En agosto de 2018, investigadores australianos lograron una tasa de eficiencia del 10% para una célula basada en cobre, zinc, sulfuro de estaño o sulfuro de kesterita. El récord mundial de estas células es del 12,6%, logrado por el productor japonés de película delgada Solar Frontier en 2013.

El año pasado, investigadores del Helmholtz-Zentrum de Berlín informaron de que estaban tratando de sustituir el estaño por el germanio en el desarrollo de células solares de kesterita.