Investigadores dirigidos por la Universidad Masinde Muliro de Ciencia y Tecnología de Kenia han diseñado una célula solar con un absorbedor basado en sulfuro de cobre y antimonio (CuSbS2), que es un material semiconductor no tóxico y abundante en la Tierra con perspectivas prometedoras en fotovoltaica, debido a su alto coeficiente de absorción y su adecuado bandgap.
Los científicos simularon numéricamente y optimizaron la célula solar mediante el software de capacitancia de células solares SCAPS-1D, una herramienta de simulación de células solares de película fina desarrollada por la Universidad de Gante (Bélgica).
La célula solar se diseñó con un sustrato transparente de vidrio y óxido de estaño dopado con flúor (FTO), una capa de transporte de huecos (HTL) basada en sulfuro de cadmio (CdS), el absorbedor CuSbS2, una capa de transporte de electrones (ETL) hecha con carbono (C) y un contacto metálico de oro (Au).
El FTO y el CuSbS2 tienen un bandgap energético de 3,5 eV y 1,5 eV, respectivamente, mientras que para el CdS y el C estos valores son de 2,42 eV y 3 V, respectivamente.
“El sulfuro de cadmio se utilizó como capa transportadora de electrones para evitar que los huecos alcanzaran el contacto frontal”, explican los investigadores. “Se prefirió el FTO al ITO porque tiene características especiales de inercia química, al calentarse es estable, duro mecánicamente, buen conductor, relativamente barato y su resistencia de lámina permanece constante durante la sinterización”.
Para optimizar el dispositivo, los académicos investigaron distintos grosores de FTO, CdS, C, CuSbS2, así como la concentración de defectos y dopantes en el absorbedor. Descubrieron que el FTO debía tener un grosor de 100 nm. Además, determinaron que CdS, CuSbS2 y C debían tener un grosor de 50 nm, 300 nm y 100 nm, respectivamente.
La célula optimizada alcanzó una eficiencia de conversión energética del 16,17%, una tensión de circuito abierto de 0,9389 V, una densidad de corriente de cortocircuito de 28,32 mA/cm2 y un factor de llenado del 60,8%.
“La variación de la concentración de dopante reveló que un aumento de la concentración de dopante conducía a un incremento de la eficiencia de la célula fotovoltaica”, explicaron. “El aumento de la densidad de defectos condujo a una disminución de la longitud de difusión, lo que indica un aumento de la tasa de recombinación”.
El nuevo concepto de célula se presentó en el artículo “Numerical study of copper antimony sulphide (CuSbS2) solar cell by SCAPS-1D” (Estudio numérico de la célula solar de sulfuro de cobre y antimonio (CuSbS2) mediante SCAPS-1D), publicado en Heliyon.
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