Kesteritas: un material de última generación para células solares en tándem de alta eficiencia
Las tecnologías fotovoltaicas son cada vez más baratas y eficientes en lo que respecta a la conversión de luz solar en electricidad. Para seguir avanzado es preciso mejorar las tecnologías actuales de nuevas maneras, utilizando al mismo tiempo materiales estables y de bajo coste. «Una forma de lograr un mayor rendimiento es el uso de células solares en tándem, en las que se utilizan dos celdas fotovoltaicas que se superponen», comenta el profesor Bart Vermang, que ha estado a cargo del proyecto financiado con fondos europeos SWInG. A diferencias de las tecnologías rivales, los investigadores del proyecto trabajaron en el desarrollo de celdas solares basadas en kesterita que dependen de elementos no tóxicos y abundantes en la Tierra. Estos complejos materiales semiconductores cuaternarios se consideran adecuados para reemplazar las capas absorbentes que contienen indio en células solares en tándem de capa fina. Mejores celdas solares de kesterita con germanio Las kesteritas son materiales semiconductores constituidos por compuestos químicos como el cobre, el estaño, el selenio y el zinc que pueden utilizarse como material absorbente óptico en células solares en tándem, con una eficiencia máxima relativamente alta del 12,6 %. Su uso es muy apreciado ya que, en lugar de indio, presentan compuestos químicos comunes, evitando así un riesgo potencial de escasez de suministro. Cambios específicos en la composición de semiconductores de kesterita permitieron mejorar su compatibilidad como capas absorbentes en celdas solares. «A pesar de que las kesteritas poseen propiedades clave muy interesantes, este material presenta una banda prohibida de energía muy estrecha inferior a 1,5 eV. La sustitución de átomos de estaño por germanio puede aumentar la banda prohibida de energía por absorción óptica si se combina con una celda de banda prohibida estrecha en una estructura en tándem, lo que permite que el material transforme una mayor proporción de luz solar en energía eléctrica», señala el profesor Vermang. El equipo del proyecto demostró que la inclusión de germanio en lugar de estaño en kesterita proporcionaba celdas solares funcionales que alcanzaban una eficiencia de conversión energética de hasta el 8,4 %, que es el valor récord mundial para este material. Abordar los retos actuales con celdas solares de kesterita El equipo del proyecto prestó especial atención al desarrollo de procesos para sintetizar celdas solares de kesterita de banda prohibida ancha utilizando germanio, así como en la comprensión de las propiedades físicas y eléctricas de la capa absorbente en pos de lograr una mayor eficiencia de conversión energética. Los retos clave de la investigación abordados incluyeron el desarrollo de procesos escalables y especificaciones para la síntesis de absorbedores de banda prohibida ancha de alta calidad, así como para capas de contacto posterior y de amortiguación adecuadas. Los investigadores emplearon métodos de espectroscopia de rayos X duros y blandos para el análisis de la estructura química y electrónica de las capas absorbentes recientemente desarrolladas y sus interfaces. Su trabajo se complementó con métodos avanzados de caracterización eléctrica y de materiales para evaluar las propiedades de la kesterita a escala atómica. Todos estos datos condujeron al diseño de un modelo de celda solar que describe la estructura de la celda solar desarrollada durante el transcurso de SWInG. El proyecto mejoró la comprensión de las cuestiones fundamentales que afectan a la eficiencia de conversión energética de celdas solares de kesterita de banda prohibida de energía ancha. «SWInG desarrolló nuevas ideas revolucionarias que proporcionan soluciones tecnológicas originales para afrontar el reto energético en Europa y en todo el mundo. Este proyecto es un primer paso decisivo para mejorar significativamente el rendimiento de las tecnologías fotovoltaicas actuales con un aumento razonable de los costes de fabricación y respaldar el crecimiento del mercado de tecnologías fotovoltaicas de capa fina en Europa», concluye el profesor Vermang.
Palabras clave
SWInG, germanio, celda solar de kesterita, capa absorbente, eficiencia de conversión energética, banda prohibida de energía ancha, estaño
