El desordre induït dels cations en cèl·lules solars ultrafines aconsegueix un nou rècord d'eficiència
Un equip internacional d'investigadors de l'ICFO, de l’University College London i de l'Imperial College London presenta una nova tècnica per a obtenir cèl·lules solars inorgàniques amb un disseny intern desordenat que permeten una eficiència de conversió d'energia sense precedents.
Generalment col·locades sobre teulades i distribuïdes a granges solars, els panells solars de cèl·lules de silici són, de moment, un dels sistemes més eficients per generar electricitat a partir de la llum del sol, però la seva fabricació acostuma a ser molt costosa, amb un alt consum energètic, a més de ser pesades i voluminoses. Les possibles alternatives de cèl·lules solars d'ultrafines presentades fins ara tampoc no han resolt el problema de producció ja que estan contenen elements tòxics, com el plom o cadmi, o escassos, com l'indi o tel·luri.
En la cursa per trobar noves tecnologies per tal de desenvolupar sistemes fotovoltaics de capa prima les cèl·lules solars basades en nanocristalls d'AgBiS2 han emergit partit amb força. Són cèl·lules compostes per elements no tòxics i abundants, produïdes a baixes temperatures i mitjançant tècniques de processament de baix cost. Aquests elements es poden integrar en cèl·lules solars ultrafines i han demostrat ser molt estables, evitant així la seva degradació a llarg termini.
L’any 2016, en el marc d’una investigació liderada pel Prof. ICREA de l'ICFO Gerasimos Konstantatos, es va aconseguir fabricar una cèl·lula solar amb un gruix de només 35 nm feta amb un material semiconductor absorbent basat en nanocristalls d'AgBiS2. Es va sintetitzar a temperatures molt baixes (100ºC) (un ordre de magnitud inferior a les fabricades amb silici) i es va dissenyar la nanoescala, mitjançant un procés de deposició capa a capa. Aquesta solució representava una alternativa “verda” prometedora en comparació al silici, tot i que encara no es va assolir un rendiment suficientment rellevant per a la seva comercialització.
En els darrers anys, molts estudis han buscat formes i tècniques per millorar l’eficiència d'aquest tipus de cèl·lules i han trobat que el gruix òptim d'aquests semiconductors absorbents està estretament relacionat amb els seus coeficients d'absorció. L’objectiu últim de tot aquest esforç seria trobar una cèl·lula solar ultrafina capaç de tenir una alta eficiència d'absorció, una eficiència quàntica i un màxim rendiment, aconseguint al mateix temps reduir-ne el cost, el pes i la fabricació. Tot i això, en el procés d’intentar desenvolupar cèl·lules solars de capa ultrafina, el fet de treballar amb estructures mes primes per absorbir la llum n’incrementa el cost i afegeix complexitat al problema, perquè com més prima és l'estructura, més difícil és aconseguir una absorció d’energia òptima.
Per tal de superar aquest repte, els investigadors de l'ICFO Yongjie Wang, Ignasi Burgues-Ceballos, en col·laboració amb el Prof. David Scanlon de l'University College London (UCL), el Prof. Aron Walsh de l'Imperial College London i Seán Kavanagh (UCL & Imperial), dirigits per el Prof. ICREA de l'ICFO Gerasimos Konstantatos, han fet un salt considerable obtenint un resultat innovador. En un nou estudi publicat a la revista Nature Photonics presenten una tècnica nova per a la fabricació d'aquestes cèl·lules solars basades en AgBiS2 que permet uns coeficients d'absorció més alts comparats amb qualsevol altre material fotovoltaic utilitzat fins ara.
El desordre de cations
A l'estudi, els investigadors van dissenyar, de manera molt hàbil, una capa de nanocristalls dins de la cèl·lula solar amb una tècnica nova, anomenada enginyeria del desordre de cations dels nanocristalls d'AgBiS2. Mitjançant un procés de cocció suau dels nanocristalls d'AgBiS2 van poder ajustar les posicions atòmiques dels cations dins de l’estructura cristal·lina . d’aquesta manera van forçar un intercanvi de lloc entre els cations obtenint al mateix temps una distribució homogènia dels mateixos cations. Aplicant diferents temperatures de cocció per aconseguir així diferents distribucions de cations a la xarxa cristal·lina, van poder demostrar que aquest material semiconductor presenta un coeficient d'absorció entre 5 i 10 vegades més gran que qualsevol altre material actualment utilitzat en tecnologia fotovoltaica i fins i tot al llarg d'un major rang espectral que va des de l’ultravioleta (400nm) fins a l'infraroig (1000nm). Per aconseguir aquest resultat, els investigadors van haver de dissenyar una nova tècnica de química de superfície per a aquest nou material amb l’objectiu de preservar la qualitat optoelectrònica dels nanocristalls després de la cocció. Per fer això, els autors de l’estudi van utilitzar àcid mercaptopropiònic com a lligand de passivació per a conservar la qualitat del material durant la cocció.
Per predir i verificar les hipòtesis del treball, els autors van realitzar diferents càlculs basats en la Teoria de Densitat Funcional que van confirmar l'evidència experimental. Seán Kavanagh, coautor de l'estudi i investigador d'UCL i de l’Imperial College London, explica: “La importància del desordre atòmic a les cèl·lules solars inorgàniques és actualment un tema candent de discussió en aquest camp d’estudi. Les nostres investigacions teòriques de la termodinàmica i els efectes òptics i electrònics del desordre de cations en l’ AgBiS2 van revelar tant l'accessibilitat a la redistribució de cations com el seu efecte sobre les propietats optoelectròniques del material. Els nostres càlculs van mostrar que una distribució homogènia de cations produiria un rendiment òptim de les cèl·lules solars en aquests materials desordenats, cosa que corrobora els descobriments experimentals”.
Amb aquests resultats, l'equip d’investigadors va construir una cèl·lula solar ultrafina, processada en solució, i va dipositar els nanocristalls d'AgBiS2, capa per capa sobre ITO/Glass, un dels substrats d'òxid transparent conductors més utilitzats avui dia. Posteriorment, van recobrir els dispositius amb una solució de politriarilamina i, quan van il·luminar el dispositiu amb llum solar artificial, van registrar una eficiència de conversió d'energia solar a electricitat en excés al 9% per a un dispositiu amb un gruix total inferior als 100 nanòmetres (nm), entre 10 i 50 vegades més prim que les tecnologies fotovoltaiques ultrafines actuals i 1000 vegades més prim que les cèl·lules fotovoltaiques de silici.
Un dels millors dispositius fabricats per l'equip va ser enviat a a Newport(EUA), a un laboratori de calibratge fotovoltaic (PV) acreditat, que va certificar una eficiència de conversió del 8,85%, sota il·luminació solar completa d'AM 1,5G. Tal i com comenta l'investigador de l'ICFO i primer autor de l'estudi Yongjie Wang: “Encara que notem un enfosquiment fort de les nostres pel·lícules primes després d'una lleu cocció i degut a l'augment de l'absorció, al principi va ser un repte fabricar uns dispositius tan prims. Després d'aconseguir controlar el procés i l'optimització de la cèl·lula de manera completa, inclosa l'optimització de les capes de transport d'electrons i buits, vam trobar finalment una estructura altament reproduïble per a cèl·lules solars eficients amb una estabilitat millorada. És realment emocionant veure que un dispositiu de 30 nm ofereix una densitat de corrent de curtcircuit tan alt, de fins a 27 mA/cm2, i una eficiència de fins al 9%.”
Finalment, com subratlla el Prof. ICREA de l'ICFO Gerasimos Konstantatos, “els dispositius fabricats per a aquest estudi han establert un rècord entre les cèl·lules solars inorgàniques en termes d'estabilitat, factor de forma i rendiment, fabricades de manera “verda” i a baixa temperatura, amb mètodes de processament en solució. L'enginyeria del desordre de cations en nanocristalls d'AgBiS2 per a sistemes multinaris ha demostrat oferir un coeficient d'absorció superior a qualsevol altre material fotovoltaic utilitzat fins ara, fet que permet aconseguir dispositius fotovoltaics absorbents extremadament prims i altament eficients. Estem molt contents amb els resultats i continuarem avançant en aquesta línia d’estudi per explorar i explotar les seves intrigants propietats per a l’energia fotovoltaica així com per altres dispositius optoelectrònics”.
********
Aquest estudi ha estat possible gràcies al finançament aportat per la Fundació Joan Ribas Araquistain (FJRA), així com el provinent de fons competitius europeus, com ara els Euopean Research Council (ERC).
###