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High Performance Wide Bandgap and Stable Perovskite-on-Silicon Tandem Solar Cells

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El silicio texturizado puede ser el mejor compañero para la perovskita

Combinar perovskita y silicio en células solares en tándem podría romper la barrera de eficacia de las celdas fotovoltaicas convencionales e impulsar la energía solar en general. Una investigación financiada con fondos europeos ha destacado materiales, procesos y métodos de fabricación que podrían hacerlo posible pronto.

Cambio climático y medio ambiente
Tecnologías industriales

La industria fotovoltaica ha evolucionado sobremanera desde que, en la década de los cincuenta del siglo pasado, se creó la primera celda fotovoltaica funcional de silicio. En 2018, se instaló en el mundo más capacidad solar fotovoltaica que cualquier otra tecnología de producción de electricidad, incluso más que todos los combustibles fósiles y nucleares juntos y más que todas las demás energías renovables combinadas. A pesar de los avances significativos, la participación de la energía solar en la producción mundial de energía todavía fue de solo el 2 % en 2018. Para entrar en el mercado, se necesita aumentar de forma significativa el rendimiento energético de conversión y así permitir unas reducciones proporcionales de los costes en las etapas posteriores. La perovskita está entre los materiales más prometedores que llaman la atención. Con el apoyo del programa Marie Skłodowska-Curie, el proyecto POSITS aplicó métodos de caracterización y procesamiento con el fin de desarrollar la tecnología para explotarla.

El importante potencial de la perovskita

Mientras que la tecnología fotovoltaica de silicio tiene en su haber sesenta y cinco años, la perovskita solo lleva en el punto de mira cerca de un decenio. No obstante, según el doctor Terry Chien-Jen Yang, socio del proyecto: «Las celdas fotovoltaicas de perovskita han tenido un progreso sin precedentes en términos de rendimiento energético conversión: desde un 3,8 % en 2009 hasta un 25,2 % certificado en 2019». La eficacia de estas células puede aumentar más combinando materiales con diferentes bandas prohibidas para permitir un mejor uso del espectro solar. Por ejemplo, las células solares en tándem que combinan silicio con una banda prohibida de 1,12 eV y perovskita con una banda prohibida de entre 1,65 y 1,7 eV tienen el potencial de lograr una eficacia superior al 30 %, valor que está por encima del alcance del silicio solo.

Alimentar una tecnología emergente y superar retos

El método más efectivo de ajustar la banda prohibida de la perovskita es mediante la sustitución de haluros. Sin embargo, esto puede conducir a inestabilidades. Según explica Yang: «Uno de los problemas principales es la segregación fotoinducida por fases, un fenómeno que provoca la separación del material de perovskita en dominios ricos en yodo y bromo. Esto disminuye el voltaje y la eficacia de las celdas de perovskita con banda prohibida alta». POSITS propuso caracterizar esta segregación y determinar formas de mejorarla. Los investigadores consideraron varios materiales de perovskita como candidatos para mejorar la estabilidad y reducir la segregación por fases. Mediante métodos ópticos y estructurales, el equipo caracterizó índices de refracción complejos de perovskita con banda prohibida. La extensa investigación también estudió la cinética de la segregación por fases, identificando mecanismos de control de la velocidad y el impacto de los procesos de luminiscencia. Sin embargo, quizá lo más importante sea que POSITS contribuyó al desarrollo de una técnica de deposición híbrida en dos pasos para producir células funcionales en texturización en lugar de células de silicio plano. Demostró la importancia de la textura en la creación de corrientes de cortocircuito más altas en comparación con los diseños en tándem de perovskita sobre silicio plano. Los resultados más recientes de POSITS han sido enviados para su publicación. Según resume Yang: «El uso de células inferiores de silicio texturizado comercialmente relevantes en lugar de células de silicio plano podría ser el futuro de la tecnología de células solares en tándem de perovskita sobre silicio. Todavía estamos lejos de nuestro objetivo de eficacia del 30 %, pero hemos mejorado mucho nuestro conocimiento de los materiales y dispositivos que se requieren para lograrlo». Aunque todavía son necesarias mejoras en el rendimiento y la estabilidad a largo plazo, la perovskita está en camino de desempeñar un papel importante en el futuro de las celdas fotovoltaicas y potencialmente de otros dispositivos optoelectrónicos que usamos hoy en día.

Palabras clave

POSITS, solar, perovskita, celda fotovoltaica, silicio, eficacia, tándem, fotovoltaico, banda prohibida

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