Dos capas son mejores que una para la eficiencia de las células solares
Las células solares han recorrido un largo camino, pero las células solares de película delgada y baratas están todavía muy por detrás en eficiencia de las células solares cristalinas más caras. Ahora, un equipo de investigadores sugiere que el uso de dos películas delgadas de diferentes materiales puede ser el camino a seguir para crear células de película delgada asequibles con una eficiencia de alrededor del 34%.
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“Hace diez años sabía muy poco sobre las células solares, pero me quedó claro que eran muy importantes”, dijo Akhlesh Lakhtakia, profesor de la universidad Penn State.
Investigando el campo, encontró que los científicos se acercaban a las células solares desde dos lados, el lado óptico – mirando cómo se recoge la luz del sol – y el lado eléctrico – mirando cómo la luz solar recogida se convierte en electricidad. Los investigadores ópticos se esfuerzan por optimizar la captura de luz, mientras que los investigadores eléctricos se esfuerzan por optimizar la conversión en electricidad, simplificando ambos lados el otro.
“Decidí crear un modelo en el que los aspectos eléctricos y ópticos se traten por igual”, dijo Lakhtakia. “Necesitábamos aumentar la eficiencia real, porque si la eficiencia de una célula es inferior al 30% no va a marcar la diferencia”. Los investigadores informan de sus resultados en un reciente número de la revista Applied Physics Letters.
Lakhtakia es un teórico. No hace películas delgadas en un laboratorio, sino que crea modelos matemáticos para ensayar las posibilidades de configuraciones y materiales para que otros puedan probar los resultados. El problema, dijo, es que la estructura matemática de la optimización de la óptica y la eléctrica son muy diferentes.
Esquema de una célula solar de doble capa delgada. El sol entra por arriba y alcanza las capas CIGS y CZTSSe que absorben la luz y crean partículas positivas y negativas que viajan a las capas de contacto superiores e inferiores, produciendo electricidad. / Akhlesh Lakhtakia, Penn State
Las células solares parecen ser dispositivos simples, explicó. Una capa superior transparente permite que la luz solar caiga sobre una capa de conversión de energía. El material elegido para convertir la energía absorbe la luz y produce corrientes de electrones cargados negativamente y “agujeros” cargados positivamente que se mueven en direcciones opuestas. Las partículas con carga diferente se transfieren a una capa de contacto superior y a una capa de contacto inferior que canalizan la electricidad fuera de la célula para su uso. La cantidad de energía que una célula puede producir depende de la cantidad de luz solar recogida y de la capacidad de la capa de conversión. Diferentes materiales reaccionan y convierten diferentes longitudes de onda de luz.
“Me di cuenta de que para aumentar la eficiencia teníamos que absorber más luz”, dijo Lakhtakia. “Para ello teníamos que hacer que la capa absorbente no fuera homogénea de una manera especial”.
Esa forma especial era usar dos materiales absorbentes diferentes en dos películas delgadas diferentes. Los investigadores eligieron CIGS – cobre, indio, galio, diseleniuro – y CZTSSe – cobre, zinc, estaño, azufre, seleniuro – para las capas. Por sí misma, la eficiencia del CIGS es de alrededor del 20% y la del CZTSSe es de alrededor del 11%.
Estos dos materiales funcionan en una célula solar porque la estructura de ambos materiales es la misma. Tienen aproximadamente la misma estructura de red, por lo que pueden crecer uno encima del otro, y absorben diferentes frecuencias del espectro por lo que deberían aumentar la eficiencia, según Lakhtakia.
“Fue increíble”, dijo Lakhtakia. “Juntos produjeron una célula solar con un 34% de eficiencia. Esto crea una nueva arquitectura de célula solar, capa sobre capa. Otros que pueden hacer células solares pueden encontrar otras formulaciones de capas y tal vez hacerlo mejor”.
De acuerdo con los investigadores, el siguiente paso es crearlas experimentalmente y ver cuáles son las opciones para obtener las mejores respuestas finales.
