Un grupo de científicos dirigido por la Universidad Técnica de Dinamarca ha desarrollado una célula solar en tándem basada en una célula superior con un absorbedor de selenio (Se) y un dispositivo inferior de silicio (Si).
La novedad de la investigación consistió en integrar por primera vez una célula de Se de banda ancha de energía en un dispositivo fotovoltaico con configuración en tándem. Este sencillo dispositivo en tándem es único, ya que se basa en materiales absorbentes de un solo elemento.
“El límite de Shockley-Queisser para una célula solar en tándem de este tipo supera el 40% de eficiencia”, declaró a pv magazine Rasmus Nielsen, autor correspondiente de la investigación. Por lo tanto, esta célula solar en tándem tiene el potencial de aumentar la eficiencia de conversión de potencia de las células solares de silicio a un costo muy bajo, dado que el selenio debe procesarse a temperaturas inferiores a 200 ºC”.
Según sus creadores, la nueva célula es una alternativa potencial a las células solares en tándem de perovskita-silicio, ya que el semiconductor es inorgánico, consta de un solo elemento y absorbe muy bien la luz, además de tener una baja toxicidad y ser abundante en la Tierra.
Utilizando el software de capacitancia de células solares SCAPS-1D, desarrollado por la Universidad de Gante, los investigadores identificaron una barrera de transporte crítica para este tipo de células en tándem en la interfaz entre la capa de transporte de electrones (ETL) y la capa de recombinación, que, según ellos, restringe el flujo de portadores de carga y reduce la eficiencia de conversión de energía de la célula.
Esquema de la célula solar.
Imagen: Universidad Técnica de Dinamarca
Demostraron que este problema puede resolverse sustituyendo el óxido de zinc y magnesio (ZnMgO) por una capa de dióxido de titanio (TiO2) para el contacto de tipo n en la célula superior de selenio.
“Las densidades de corriente de cortocircuito integradas de las subceldas individuales muestran que la celda superior de selenio limita la corriente global del dispositivo en tándem”, explican. “Aplicando una polarización inversa a la célula superior mediante el tercer terminal accesible, la eficiencia de captación mejora significativamente”.
Para la célula inferior de silicio, los científicos utilizaron un dispositivo TOPCon de tipo n personalizado con una capa de recombinación de óxido de indio y estaño (ITO) y un contacto metálico de plata (Ag) en la parte posterior. El dispositivo superior se fabricó directamente sobre la capa de ITO, utilizando un contacto de tipo n basado en óxido de zinc y magnesio (ZnMgO) o en dióxido de titanio (TiO2).
Los científicos descubrieron que el dispositivo en tándem basado en ZnMgO alcanzaba una tensión en circuito abierto de 1,68 V, pero con una eficiencia baja. El mejor rendimiento global se obtuvo con el contacto de tipo n de TiO2, que alcanzó una eficiencia del 2,7%, 10 veces superior a la del ZnMgO. Se analizaron en profundidad las pérdidas aún significativas de la célula superior de selenio y se propusieron estrategias para seguir mejorando la célula solar en tándem.
“Al sustituir el material de transporte selectivo de electrones, conseguimos un prometedor aumento de diez veces en la eficiencia, aunque comprometiendo la alineación ideal de bandas en la heterounión p-n”, afirmaron. “Esto pone de relieve la importancia de optimizar las interfaces de la heteroestructura, donde debería considerarse la inclusión de capas de modificación superficial”.
Presentaron el nuevo concepto de célula en el estudio “Monolithic Selenium/Silicon Tandem Solar Cells” (Células solares monolíticas en tándem de selenio/silicio), publicado en PRX Energy.
De cara al futuro, el grupo de investigación afirma que pretende invertir la estructura del dispositivo, de modo que los contactos de tipo n y tipo p de las células superior e inferior se intercambien. “También sugerimos sustituir la capa de ITO por otra capa de recombinación que sea más compatible con las películas finas de ZnMgO”, explicó Nielsen. “Por último, habría que solucionar muchas pérdidas de resistencia en serie”.
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