Un grupo de investigación de la Universidad de Toledo (Estados Unidos) ha diseñado una célula solar en tándem de cuatro terminales (4T) con un dispositivo superior basado en un absorbedor de perovskita de banda ancha sintonizable y una célula inferior que utiliza una tecnología comercial de absorbedor de banda estrecha de telururo de cadmio (CdTe).
“Aunque se ha trabajado mucho en células solares en tándem de perovskita-silicio, perovskita-CIGS y perovskita-perovskita, las células solares en tándem de perovskita- teluro de cadmio están relativamente inexploradas”, explican los científicos. “Aunque el potencial de eficiencia de los tándems basados en CdTe es probablemente menor que el de los basados en CIGS debido a la mayor banda prohibida de la célula inferior de CdTe, el gran éxito comercial de las células solares de CdTe las convierte en un punto de interés para la investigación de aplicaciones en tándem de película fina”.
Según los académicos, un elemento clave de la célula solar es la tecnología de contacto posterior transparente (TBC, por sus siglas en inglés) utilizada para la célula superior de perovskita de banda ancha sintonizable. Para la construcción de estos contactos, utilizaron óxido de indio y zinc (IZO) como alternativa al óxido de indio y estaño (ITO).
Prepararon las películas de IZO mediante la técnica de pulverización catódica por magnetrón de radiofrecuencia (RF), que es un método que consiste en alternar el potencial eléctrico de la corriente en un entorno de vacío a RF.
También explicaron que sus esfuerzos se dirigieron a identificar el espesor ideal de IZO, ya que éste desempeña un papel crucial en la mejora del rendimiento y la transmitancia óptica de la célula superior de perovskita semitransparente, al aumentar la banda prohibida de la perovskita permitiendo que más fotones de longitud de onda larga se transmitan y entren en la célula inferior de CdSeTe. A su vez, esto compensa un factor de pérdida óptica típico en una configuración en tándem de 4T.
La célula superior se construyó con un sustrato de vidrio y óxido de indio y estaño (ITO), una capa de transporte de huecos (HTL) de óxido de níquel(II) (NiOx), una capa de un ácido fosfónico llamado carbazol metil-sustituido (Me-4PACz), el absorbedor de perovskita, una capa de transporte de electrones (ETL) basada en buckminsterfullereno (C60), una capa tampón de óxido de estaño (SnOx) y el contacto posterior IZO.
La célula inferior se diseñó con un sustrato de vidrio e ITO, una ETL de óxido de estaño (SnO2), un absorbedor de telururo de cadmio (CdTe), una capa de telururo de selenio y cadmio (CdSeTe), una HTL de tiocianato de cobre (CuSCN) y un contacto metálico de oro.
Ambas células se cubrieron con un revestimiento antirreflectante.
La mejor configuración de célula en tándem se consiguió cuando se ajustó el absorbedor de la célula superior para que tuviera una banda prohibida de energía de 1,76 eV. Con este valor, el dispositivo alcanzó una eficiencia global de conversión de energía del 25,1%.
La célula superior alcanzó una eficiencia del 17,93%, una tensión de circuito abierto de 1,315 V, una corriente de cortocircuito de densidad de 17,11 mA cm2 y un factor de llenado del 79,7%. La célula inferior mostró una eficiencia del 7,13%, una tensión de circuito abierto de 0,842 V, una corriente de cortocircuito de densidad de 11,15 mA cm2 y un factor de llenado del 76,0%.
“El resultado demuestra el concepto de que la configuración en tándem 4T perovskita-CdSeTe puede utilizarse para mejorar la eficiencia de las células solares comerciales de película fina de CdSeTe”, declararon los investigadores, añadiendo que actualmente están esbozando una hoja de ruta para aumentar la eficiencia del dispositivo hasta el 30%. “Nuestro análisis revela que las células solares en tándem 4T perovskita-CdSeTe de alta eficiencia son factibles con el futuro avance de ambas células fotovoltaicas”.
Los detalles del nuevo diseño de célula pueden consultarse en el estudio “Four-Terminal Perovskite-CdSeTe Tandem Solar Cells: From 25% towards 30% Power Conversion Efficiency and Beyond” (Células solares en tándem de perovskita-CdSeTe de cuatro terminales: del 25 % al 30 % de eficiencia de conversión de energía y más), publicado recientemente en RRL Solar.
La Universidad de Toledo ha desarrollado varios tipos de células solares de CdTe en los últimos años. Los dispositivos incluyen, entre otros, una célula con una eficiencia del 20% basada en una capa tampón comercial de óxido de estaño (IV) (SnO2), un dispositivo con una eficiencia del 17,4% que utiliza una capa de óxido de cobre-aluminio en la cara posterior de la película delgada de CdTe, y una célula solar basada en una capa emisora de óxido de indio y galio (IGO) y un conductor transparente de estannato de cadmio (CTO) como electrodo frontal.
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