El desorden inducido de los cationes en células solares ultrafinas logra un nuevo récord de eficiencia

Colocados generalmente sobre tejados y distribuidas en granjas solares, los paneles solares de células de silicio son, de momento, uno de los sistemas más eficientes para generar electricidad a partir de la luz solar. Pero su fabricación tiende a ser costosa, con un alto consumo energético, además de ser pesados y voluminosos. Las posibles alternativas de células solares ultra-finas presentadas hasta ahora tampoco han resuelto el problema ya que contienen elementos tóxicos, como el plomo o cadmio, o escasos, como el indio o telurio.

En la búsqueda de nuevas tecnologías para desarrollar sistemas fotovoltaicos delgados, las células solares basadas en nanocristales de AgBiS2 han emergido con fuerza. Son células compuestas por elementos no tóxicos y abundantes, producidas a bajas temperaturas y con técnicas de procesamiento de bajo coste. Estos elementos pueden integrarse en células solares ultra-finas y han demostrado ser muy estables, evitando así su degradación a largo plazo.

En 2016, en el marco de una investigación liderada por el Prof. ICREA del ICFO Gerasimos Konstantatos se logró fabricar una célula solar de 35 nm de espesor y con una eficiencia de alrededor del 6%. Esta célula estaba hecha con un material semiconductor absorbente basado en nanocristales de AgBiS2. Se sintetizó a temperaturas muy bajas (100ºC) (un orden de magnitud inferior a la temperatura en la que se fabrican las células de silicio) y se diseñó a la nanoescala, mediante un proceso de deposición capa-por-capa. Esta solución representaba una alternativa “verde” prometedora frente al silicio aunque aún no se consiguió lograr un rendimiento lo suficientemente relevante para su comercialización.

En los últimos años, muchos estudios han buscado formas y técnicas de mejorar el rendimiento de este tipo de células y han encontrado que el espesor óptimo de estos semiconductores absorbentes está estrechamente relacionado con sus coeficientes de absorción. El objetivo de todo este esfuerzo es encontrar una célula solar ultra-fina con una alta eficiencia de absorción, una eficiencia cuántica y un máximo rendimiento, reduciendo al mismo tiempo su coste, peso y fabricación. Sin embargo, en el proceso de intentar desarrollar células solares ultra-finas, el hecho de trabajar con estructuras complejas para atrapar la luz incrementa el coste y añade complejidad al problema. Hay que tener que cuenta que cuanto más delgada es la estructura, más difícil es obtener una absorción de energía óptima.

Para salvar este desafío, los investigadores del ICFO Yongjie Wang, Ignasi Burgues-Ceballos, en colaboración con el Prof. David Scanlon del University College London, el Prof. Aron Walsh del Imperial College London y Seán Kavanagh (UCL & Imperial), dirigidos por el Prof. ICREA del ICFO Gerasimos Konstantatos, han logrado dar un salto considerable consiguiendo un resultado innovador. En un nuevo estudio publicado en Nature Photonics, presentan una nueva técnica para la fabricación de estas células solares basadas en AgBiS2 con unos coeficientes de absorción más altos comparados con cualquier otro material fotovoltaico utilizado hasta ahora.

Desorden de Cationes

En el estudio, los investigadores diseñaron, de manera muy hábil, una capa de nanocristales en el interior de la célula solar con una nueva técnica, llamada ingeniería del desorden de cationes. Mediante un proceso de cocción suave de los nanocristales de AgBiS2, ajustaron las posiciones atómicas de los cationes dentro de la red cristalina. De esta manera, forzaron el intercambio de lugar entre los cationes obteniendo una distribución homogénea de estos. Aplicando diferentes temperaturas de cocción para obtener distribuciones de cationes en la red cristalina, los autores demostraron que este material semiconductor tiene un coeficiente de absorción entre 5-10 veces mayor que cualquier otro material utilizado hoy en día en tecnología fotovoltaica e incluso a lo largo de un mayor rango espectral que va desde el ultravioleta (400nm) hasta el infrarrojo (1000nm). Para lograr este resultado, los investigadores tuvieron que diseñar una nueva técnica de química de superficie para el nuevo material que preservara la calidad optoelectrónica de los nanocristales tras su cocción. Para ello, los investigadores utilizaron ácido mercaptopropiónico como ligando de la pasivación, el cual ayudo a preservar la calidad del material durante la cocción.

Para predecir y verificar las hipótesis del trabajo, los autores del estudio realizaron diferentes cálculos basados en la Teoría de Densidad Funcional que confirmaron la evidencia experimental. Seán Kavanagh, coautor del estudio e investigador del UCL y del Imperial College, explica: “La importancia del desorden atómico en las células solares inorgánicas es actualmente un tema candente de discusión en el área. Nuestras investigaciones teóricas sobre la termodinámica y los efectos ópticos/electrónicos del desorden de cationes en AgBiS2 revelaron tanto la accesibilidad en la redistribución de cationes así como su efecto sobre las propiedades optoelectrónicas del material. Nuestros cálculos mostraron que una distribución homogénea de cationes produciría un rendimiento óptimo de las células solares en estos materiales desordenados, lo que corrobora los descubrimientos experimentales”.

Con estos resultados, el equipo construyó una célula solar ultrafina, procesada en solución, y depositó capa por capa los nanocristales de AgBiS2 sobre ITO/Glass, uno de los sustratos de óxido transparentes conductores más utilizados hoy en día. Recubrieron los dispositivos con una solución de PTAA (poly triaryl amine) y, al iluminar el dispositivo con luz solar artificial, registraron una eficiencia de conversión de energía solar a electricidad en exceso al 9% para un dispositivo con un grosor total inferior a los 100 nm, entre 10 y 50 veces más delgado que las tecnologías fotovoltaicas ultra-finas actuales y 1000 veces más delgado que las células fotovoltaicas de silicio.

Uno de los mejores dispositivos fabricados por el equipo fue enviado a Newport (EE. UU), a un laboratorio de calibración fotovoltaico (PV) acreditado, que certificó una eficiencia de conversión del 8,85 %, bajo iluminación solar completa de AM 1,5G. Como comenta el investigador del ICFO y primer autor del estudio, Yongjie Wang: “Aunque notamos un fuerte oscurecimiento de nuestras películas delgadas tras una leve cocción, debido al aumento de la absorción, al principio fue un desafío fabricar unos dispositivos tan delgados. Después de lograr controlar el proceso y la optimización de la célula de manera completa, incluida la optimización de las capas de transporte de electrones y sus huecos, encontramos finalmente una estructura altamente reproducible para células solares eficientes con una estabilidad mejorada. Es realmente emocionante ver que un dispositivo de 30 nm ofrece una densidad de corriente de cortocircuito tan alta, de hasta 27 mA/cm2, y una eficiencia de hasta el 9%.”

Finalmente, como recalca el Prof. ICREA del ICFO Gerasimos Konstantatos, “los dispositivos fabricados para este estudio han establecido un récord entre las células solares inorgánicas en términos de estabilidad, factor de forma y rendimiento, fabricadas de manera “verde” y a baja temperatura, con métodos de procesado en solución. La ingeniería del desorden de cationes en nanocristales de AgBiS2 para sistemas multinarios ha demostrado ofrecer un coeficiente de absorción superior a cualquier otro material fotovoltaico utilizado hasta la fecha, lo que permite conseguir dispositivos fotovoltaicos absorbentes extremadamente delgados y altamente eficientes. Estamos muy contentos con los resultados y continuaremos avanzando en esta línea de estudio para explorar y explotar sus intrigantes propiedades para la energía fotovoltaica así como para otros dispositivos optoelectrónicos”.

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Este estudio ha sido posible gracias a la financiación de la Fundació Joan Ribas Araquistain (FJRA), así como fondos competitivos europeos, como los European Research Council (ERCs), entre otros.