Científicos hacen el primer intento de diseñar células solares basadas en la kusachita

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Científicos del Instituto Indio de Tecnología de Indore han propuesto una nueva forma de fabricar células solares de capa fina basadas en la kusachiita (CuBi2O4), un óxido binario de cobre (II) y bismuto (III) extremadamente raro que se descubrió recientemente en la prefectura de Okayama (Japón).

“Hay dos informes anteriores sobre el uso de la kusachiita como captador de luz”, dijo el investigador Vishesh Manjunath a pv magazine. “En el primer informe, el CuBi2O4 se sensibiliza sobre fotoánodos para fabricar células solares sensibilizadas por colorantes, y en el segundo, el cosechador de luz CuBi2O4 se modela con una arquitectura de dispositivo compleja. Sin embargo, por primera vez, hemos modelado las células solares de kusachiita de forma similar a la arquitectura de dispositivos de células solares de perovskita, más sencilla”.

Según él, el coste de las células solares de kusachiita podría ser mucho menor que el de las células de silicio cristalino convencionales, debido a los protocolos de síntesis bien establecidos del CuBi2O4.

“La síntesis de varias nanoestructuras de CuBi2O4 está bien establecida”, dijo. “Sin embargo, hay que experimentar con la síntesis de películas finas de CuBi2O4 con baja densidad de defectos, y el proceso mejor y más rentable se puede ampliar para fabricar células solares de kusachiita”.

Los investigadores diseñaron la célula con un sustrato de vidrio de óxido de estaño dopado con flúor (FTO), diferentes tipos de capas amortiguadoras, un absorbente de CuBi2O4 y un contacto metálico a base de oro (Au). Mediante una serie de simulaciones, evaluaron este diseño en función de la variación del grosor, el defecto aceptor/donor y la densidad de dopaje de las capas finas posteriores, los contraelectrodos y la temperatura de funcionamiento.

“Un aumento del grosor de la película absorbente de CBO más allá de la longitud de difusión de la carga conducirá a la recombinación de la carga, lo que dará lugar a una baja densidad de corriente de cortocircuito (JSC), limitando posteriormente la eficiencia de conversión de energía”, explicaron los científicos. “Es importante destacar que las películas delgadas de CuBi2O4 depositadas mediante recubrimiento por espinamiento y deposición por láser pulsado (PLD) mostraron una longitud de difusión de portadores de alrededor de 50 nm. Además, el grosor de la capa absorbente controla la absorción de portadores de fotones de longitud de onda corta y reduce considerablemente las pérdidas eléctricas asociadas a la recombinación de portadores de carga en la interfaz.”

En la configuración de la célula propuesta, la luz azul y otras luces de alta energía se absorben en la interfaz, mientras que la luz de baja energía, como la roja, se absorbe cuando el grosor del absorbente está en el lado más alto. Por esta razón, el grosor de las películas absorbentes de CuBi2O4 debe optimizarse adecuadamente para lograr la máxima eficiencia, dijo el grupo de investigación.

Comprobaron que la mayor eficiencia, del 27,7%, se consiguió con un diseño de célula que incluía una capa amortiguadora de sulfuro de estaño (SnS2). Otro dispositivo con una capa amortiguadora de disulfuro de tungsteno (WS2) -así como un absorbedor de luz CuBi2O4 optimizado con un grosor de 900 nm y una densidad de dopaje del aceptor de 2 cm × 1,018 cm- logró una eficiencia del 22,84%.

Los científicos presentaron el diseño de la célula solar en “Futuristic kusachiite solar cells of CuBi2O4 absorber and metal sulfide buffer Layers: Theoretical efficiency approaching 28%” (Células solares futuristas de kusachiita con absorbente de CuBi2O4 y capas tampón de sulfuro metálico: Eficiencia teórica cercana al 28%.), publicado recientemente en Solar Energy.

“En general, la metodología y el planteamiento que aquí se ofrecen para estudiar capas absorbentes de luz visible y de sulfuro metálico que sean ecológicas, rentables, fáciles de fabricar y de empaquetar pueden extenderse a otros dispositivos optoelectrónicos”, concluyen los investigadores.

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