Novedoso método para fabricar células solares de película fina de trisulfuro de antimonio

Un equipo de investigadores de la Universidad Tecnológica de Tallin (TalTech), en Estonia, ha desarrollado una célula solar basada en trisulfuro de antimonio (Sb2S3) mediante sublimación a corta distancia (CSS), que es una deposición física de vapor que se aplica habitualmente en células solares de película fina de telururo de cadmio (CdTe).

El Sb2S3 es un candidato prometedor para la comunidad fotovoltaica debido a la abundancia de elementos constituyentes terrestres y respetuosos con el medio ambiente, junto con unas propiedades optoelectrónicas adecuadas, como un deseable hueco de banda de unos 1,7 eV, un gran coeficiente de absorción de unos 105 cm-1 y estabilidad a largo plazo. En la actualidad, la eficiencia máxima de estos dispositivos fotovoltaicos es del 8%.

“En nuestro trabajo se demostró por primera vez una célula solar de prueba de concepto con CSS Bi2S3 y se ofreció un análisis en profundidad de la interrelación entre la estructura del grano, la recombinación de la interfaz y el rendimiento del dispositivo”, declaró a pv magazine el autor principal de la investigación, Mykhailo Koltsov. “Empleando la fotoluminiscencia (PL) dependiente de la baja temperatura, aportamos en primicia conocimientos nuevos y complementarios sobre los posibles defectos y mecanismos de recombinación en el material fotovoltaico Bi2S3 verde y con abundancia de tierra”.

Los científicos desarrollaron inicialmente varias películas absorbentes de Bi2S3 depositadas sobre diversos sustratos. Mediante microscopía electrónica de barrido (SEM) investigaron después sus propiedades y morfología, con el fin de identificar aquellas con un crecimiento óptimo.

Con la mejor película absorbente de Bi2S3, los científicos construyeron una célula basada en un sustrato de vidrio y óxido de estaño dopado con flúor (FTO), una capa de transporte de electrones (ETL) con óxido de titanio (TiO2), el propio absorbente de Sb2S3 y contactos metálicos de oro (Au). El absorbedor de Bi2S3 se depositó a 450 ºC. También construyeron un dispositivo similar basado en una ETL de sulfuro de cadmio (CdS).

La primera célula alcanzó una eficiencia de conversión de potencia del 0,1%, una tensión de circuito abierto de 10 mV, una corriente de cortocircuito de 3,5 mA/cm2 y un factor de llenado de 23,0. El segundo dispositivo alcanzó una eficiencia del 0,3%, una tensión de circuito abierto de 190 mV, una corriente de cortocircuito de 4,6 mA/cm2 y un factor de llenado de 32,0.

“Para ambas configuraciones de dispositivos, procesados con Bi2S3 a temperaturas del sustrato CSS inferiores a 400 ºC, las eficiencias tienden a cero”, declararon los investigadores. “La temperatura de la fuente de 550 ºC y la temperatura del sustrato de 400-450 ºC se identificaron como temperaturas óptimas que permitieron una tasa de deposición razonable y la fabricación de películas uniformes de Bi2S3”.

Según Koltsov, el desarrollo de la tecnología fotovoltaica Bi2S3 supondría temperaturas de procesamiento más bajas y una reducción del tiempo en comparación con las tecnologías industriales de película fina más avanzadas, en particular el uso de absorbentes más finos depositados mediante procesos de un solo paso.

“Esto supone una reducción significativa de los requisitos energéticos para la fabricación, lo que garantiza una menor huella de CO2 y un menor impacto medioambiental”, añadió. “El impacto ambiental también se reduce por la ausencia de materiales tóxicos o peligrosos en el proceso de fabricación”.

El potencial de reducción de los costos de producción de energía puede entenderse teniendo en cuenta la compatibilidad con la tecnología de CdTe de capa fina ya establecida. La infraestructura existente podría utilizarse para reducir el costo por vatio de los módulos de CdTe con una eficiencia equivalente.

“En la actualidad, el cadmio y el teluro cuestan unos 3,3 dólares/kg y 70 dólares/kg, respectivamente”, explica. “El bismuto y el azufre -los dos compuestos que forman el Bi2S3 P- cuestan actualmente 8,6 dólares/kg y hasta 0,5 dólares/kg, respectivamente. Además, el absorbente de Bi2S3 tiene menos de 1μm de grosor, mientras que los de CdTe suelen tener 2μm”.

Koltsov cree que la tecnología Bi2S3 tiene potencial para reducir el precio de la electricidad fotovoltaica, con un objetivo de costos de producción inferiores a 0,20 euros (0,224 dólares)/W.

La técnica de fabricación de células solares se describe en el artículo “Development of Bi2S3 thin film solar cells by close-spaced sublimation and analysis of absorber bulk defects via in-depth photoluminescence analysis” (Desarrollo de células solares de película delgada de Bi2S3 mediante sublimación a corta distancia y análisis de defectos en la masa del absorbedor mediante análisis de fotoluminiscencia en profundidad), publicado recientemente en Solar Energy Materials and Solar Cells.

Otros investigadores de Taltech presentaron en abril una célula solar basada en trisulfuro de antimonio (Sb2S3) que utiliza materiales de transporte de huecos (HTM) a base de fluoreno con unidades terminales de tiofeno. El dispositivo campeón construido tiene una eficiencia de conversión de potencia del 4,94%, una tensión de circuito abierto de 0,68 V, una corriente de cortocircuito de 13,7 mA/cm2 y un factor de llenado de 0,53.