El análisis de defectos promete células solares de kesterita con una eficiencia del 18,47%

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Investigadores dirigidos por la Universidad Tarbiat Modares de Irán, la Universidad de Teherán, la Universidad Shahid Bahonar de Kerman y la Universidad de Kuwait aplicaron el análisis de defectos a células solares de kesterita con una eficiencia del 10,33%, y su análisis concluye que, mediante la adición cuidadosamente controlada de defectos al material, esta eficiencia podría aumentarse hasta el 18,47%.

Como describe en el artículo “Improving the efficiency of CZTSSe solar cells by engineering the lattice defects in the absorber layer”, publicado en Solar Energy, el dispositivo se analizó para detectar defectos mediante una serie de simulaciones numéricas basadas en el método de elementos finitos (MEF), el enfoque más utilizado para resolver problemas de ingeniería y modelos matemáticos, y la técnica de diferencias finitas (FD), que aproxima las derivadas combinando los valores de las funciones cercanas mediante un conjunto de pesos.

Los científicos especificaron que varios defectos de la red en la capa de questerita, incluyendo vacíos, intersticiales y defectos antisitio, son comúnmente considerados responsables de las bajas eficiencias de conversión de estas células.

Analizaron, en particular, los defectos en el sulfuro/seleniuro de cobre-zinc estaño (CZTS y CZTSe) y las capas de kesterita. «En cada parte de la evaluación de los defectos, se eliminan los principales defectos y la capa absorbente sin defectos de la célula se modela con el nuevo defecto especificado en cada estado para cada sección», afirmó el equipo.

Su análisis mostró, sin embargo, que algunos de estos defectos pueden realmente mejorar la eficiencia de la célula en lugar de reducirla. Defectos con densidades inferiores a la densidad de la capa absorbente, y con niveles de energía muy alejados del nivel de fermi del electrón y del centro de la banda. El nivel de Fermi describe la parte superior de la colección de niveles de energía de los electrones a temperatura cero absoluta.

«Descubrimos que por ingeniería de defectos en la capa absorbente, el rendimiento de la célula solar de kesterita puede ser mejorado en más de un 50% (relativo) de 10,33% a 18,47%», dijo el coautor Mehran Minbashi, a pv magazine. Actualmente, la mayor eficiencia jamás reportada para las células solares de kesterita es del 12,6%, según el artículo.

Minbashi añadió que el grupo está trabajando ahora en la aplicación de los resultados de la investigación a las células solares reales. El autor afirma además que las células solares de kesterita podrían llegar a la producción comercial a finales de esta década.

La kesterita es uno de los materiales absorbentes de luz más prometedores candidatos para su uso potencial en células solares de película fina 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 esperan cuellos de botella en el suministro en el futuro. Por ahora, sin embargo, la kesterita todavía está por detrás de las eficiencias logradas con los CIGS en la producción en masa.

Este año, investigadores estonios anunciaron una célula de kesterita con una eficiencia del 8,7%. En agosto de 2018, investigadores australianos lograron una eficiencia del 10% para una célula basada en sulfuro de cobre, zinc y estaño, o sulfuro de kesterita, en agosto de 2018. El récord mundial de este tipo de células es del 12,6%, logrado por el productor japonés de película delgada Solar Frontier en 2013.

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

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