Las células solares de triple unión perovskita-perovskita-silicio tienen potencial técnico para alcanzar una eficiencia del 44,3%

Un grupo de investigadores alemanes ha desarrollado un completo modelo de simulación optoeléctrica para células solares de triple unión basadas en subcélulas de perovskita, perovskita y silicio cristalino, respectivamente.

El modelo pretende definir una hoja de ruta de eficiencia para mejorar las propiedades ópticas de estas células solares dentro de unas condiciones de contorno realistas. “La hoja de ruta incluye la adaptación de los espesores de los absorbedores de perovskita, la modificación de los bandgaps, el empleo de una célula totalmente texturizada y la optimización de los espesores de las capas intermedias entre los absorbedores”, explican los científicos. “Calculamos la fotocorriente respectiva de cada paso y la comparamos con el límite teórico”.

Para su modelización, los académicos eligieron el Sentaurus TCAD, que es un simulador multidimensional capaz de simular las características eléctricas, térmicas y ópticas de dispositivos basados en silicio. También se utiliza para simular las características optoelectrónicas de dispositivos semiconductores, como sensores de imagen y células fotovoltaicas.

“Esta herramienta ya ha demostrado su capacidad para describir con precisión las propiedades ópticas de las células solares en tándem de perovskita”, afirman, refiriéndose a una investigación anterior similar que llevaron a cabo sobre células en tándem de perovskita-silicio. En este trabajo, llegaron a la conclusión de que el potencial práctico de eficiencia de conversión de energía de los dispositivos en tándem de perovskita-silicio puede alcanzar hasta el 39,5%.

En su trabajo más reciente, los investigadores partieron inicialmente de la base de que la célula de triple unión se basaría en una célula de heterounión de silicio inferior con una capa de óxido de indio y estaño (ITO) y un contacto metálico de plata (Ag), una célula de perovskita intermedia con un bandgap energético de 1,57 eV y una célula de perovskita superior con un bandgap de 1,84 eV.

En el proceso de optimización, sus esfuerzos se dirigieron a aumentar la fotocorriente de las tres células. Inicialmente variaron los grosores de los tres absorbedores y después ajustaron los bandgaps de las perovskitas. Además, aplicaron una cara frontal texturizada para mitigar las pérdidas por reflexión y utilizaron capas intermedias más finas. “Adaptar los grosores de los absorbedores de perovskita es bastante sencillo, pero tiene el potencial de lograr la igualación de corriente entre la célula superior y la intermedia”, subrayó el grupo. “De este modo, la corriente puede mejorar significativamente”.

Los científicos también calibraron el grosor del recubrimiento antirreflectante basado en fluoruro de magnesio (MgF2) reduciendo su grosor de 130 nm a 90 nm. También aumentaron inicialmente el grosor del absorbente de perovskita de la célula intermedia, que, según dijeron, reduce la absorción de fotones en la subcélula de silicio, pero ofrece una absorción mejorada en los dispositivos superior e intermedio, aumentando así la fotocorriente en el nivel de la célula de triple unión.

La simulación demostró que la mejor configuración de célula puede alcanzar potencialmente una eficiencia de conversión de potencia del 44,3%, una tensión de circuito abierto de 3480 mV, una densidad de cortocircuito de 14,1 mA cm-2 y un factor de llenado del 90,1%. Esto se consiguió con una célula de perovskita media con un bandgap energético de 1,46 eV y una célula de perovskita superior con un bandgap de 1,97 eV.

“Por otro lado, demostramos que el intervalo de la banda prohibida de la célula superior podía elegirse entre 1,8 y 2,0 eV, dependiendo del grosor de la célula superior, que varía entre 200 y 800 nm, respectivamente, para cada uno de los cuales existe una tupla de banda prohibida/espesor que permite lograr la adaptación global de la corriente”, subrayaron los científicos. “No obstante, hemos llamado la atención sobre la conveniencia de elegir capas de perovskita más gruesas con mayor bandgap para liberar todo el potencial de voltaje en circuito abierto de la célula superior”.

Los resultados se publican en el artículo “Optoelectrical Modeling of Perovskite/Perovskite/Silicon Triple-Junction Solar Cells: Toward the Practical Efficiency Potential” (Modelización optoeléctrica de células solares de triple unión perovskita/perovskita/silicio: Hacia el potencial de eficiencia práctica), publicado recientemente en RRL Solar. El equipo de investigación estaba formado por científicos de la Universidad de Friburgo y del Instituto Fraunhofer de Sistemas de Energía Solar (Fraunhofer ISE).