Células solares en tándem que se acercan a una eficiencia del 30%

Las células solares que consisten en dos semiconductores con diferentes bandas prohibidas pueden alcanzar eficiencias considerablemente más altas cuando se usan en tándem en comparación con las células individuales por sí solas. Esto se debe a que las células en tándem utilizan el espectro solar de manera más eficiente.

En particular, las células solares de silicio convencionales convierten principalmente los componentes infrarrojos de la luz de manera eficiente en energía eléctrica, mientras que ciertos compuestos de perovskita pueden utilizar de manera efectiva los componentes visibles de la luz solar, lo que hace de esta una combinación poderosa.

A principios de 2020, un equipo encabezado por el profesor Steve Albrecht del HZB rompió el anterior récord mundial de células solares en tándem hechas de perovskita y silicio (28,0%, Oxford PV), estableciendo un nuevo récord mundial de 29,15%. Comparado con la eficiencia más alta certificada y publicada científicamente, esto es un gran paso adelante. El nuevo valor ha sido certificado en el ISE de Fraunhofer y listado en el gráfico del NREL. Ahora, los resultados han sido publicados en la revista Science con una explicación detallada del proceso de fabricación y la física subyacente.

"El 29,15% de eficiencia no solo es el récord de esta tecnología de célula solares, sino que se encuentra en la parte superior de toda la categoría de sistemas fotovoltaicos emergentes en el gráfico del NREL", dijo Eike Köhnen, estudiante de doctorado del equipo de Albrecht y primer autor compartido del estudio. Además, la nueva célula en tándem de perovskita/silicio se caracteriza por un rendimiento consistente durante más de 300 horas bajo una exposición continua simulada al aire y a la luz solar sin estar protegida por encapsulación. El equipo utilizó una compleja composición de perovskita con una banda prohibida de 1,68 eV y se centró en la optimización de la interfaz del sustrato.

La estructura esquemática de una célula solar en tándem en 3D. (Foto: Eike Koehnen/HZB)

Con socios de Lituania (el grupo del Prof. Vytautas Getautis) desarrollaron una capa intermedia de moléculas orgánicas que se organizan autónomamente en una monocapa autoensamblada (SAM). Consistía en una novedosa molécula basada en el carbazol con sustitución del grupo metilo (Me-4PACz). Esta SAM se aplicaba al electrodo y facilitaba el flujo de los portadores de carga eléctrica. "Primero preparamos la cama perfecta, por así decirlo, sobre la que se apoya la perovskita", dice Amran Al-Ashouri, que también es miembro del equipo de Albrecht y comparte la autoría del estudio.

Los investigadores utilizaron entonces una serie de métodos de investigación complementarios para analizar los diferentes procesos en las interfaces entre la perovskita, la SAM y el electrodo: "En particular, optimizamos lo que se llama el factor de llenado, que está influido por la cantidad de portadores de carga que se pierden al salir de la célula superior de perovskita", explica Al-Ashouri. Mientras que los electrones fluyen en la dirección de la luz solar a través de la capa C60, los "agujeros" se mueven en la dirección opuesta a través de la capa SAM hacia el electrodo. "Sin embargo, observamos que la extracción de los agujeros es mucho más lenta que la extracción de los electrones, lo que limitó el factor de llenado", dice Al-Ashouri. Sin embargo, la nueva capa SAM aceleró considerablemente el transporte de los agujeros y por lo tanto contribuye simultáneamente a mejorar la estabilidad de la capa de perovskita.

Mediante una combinación de espectroscopia de fotoluminiscencia, modelización, caracterización eléctrica y mediciones de la conductividad de terahercios, fue posible distinguir los diversos procesos en la interfaz del material de perovskita y determinar el origen de pérdidas importantes.

La máxima eficiencia posible ya está al alcance de la mano: los investigadores analizaron las dos células individualmente y calcularon una eficiencia máxima posible del 32,4% para este diseño. "Ciertamente podemos alcanzar más del 30%", dice Albrecht. (Fuente: NCYT Amazings)