El diseño de la célula solar en tándem perovskita-CIGS promete una eficiencia del 29,7%

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Investigadores de la Universidad de Chitkara (India) han diseñado y simulado una célula solar en tándem de dos terminales, apilada monolíticamente, basada en una célula superior de perovskita con un bandgap energético de 1,68 eV. La célula inferior está basada en CIGS, con un bandgap de 1,1 eV.

Los investigadores realizaron una simulación numérica para predecir el rendimiento y el comportamiento del dispositivo, utilizando el software de capacitancia de células solares SCAPS-1D, una herramienta de simulación de células solares de película fina desarrollada por la Universidad de Gante (Bélgica).

Diseñaron la célula inferior con una película de óxido conductor transparente de óxido de indio y zinc (IZO), una capa tampón de óxido de estaño (SnO2), una capa de perovskita y una capa de carbazol metil-sustituido (Me-4PACz) como capa de transporte de huecos. Para la célula superior, propusieron utilizar un sustrato de óxido de indio y estaño (ITO), una capa de sulfuro de cadmio (Cds) y un absorbedor CIGS.

“En la célula superior, la capa de perovskita actúa como absorbente de los fotones de alta energía. Del mismo modo, la célula inferior utiliza la capa de CIGS para absorber los fotones de baja energía”, explican los científicos, señalando que ambas células están conectadas a través de una capa intermedia de ITO para proporcionar la adaptación de corriente para la configuración en tándem.

Probaron diferentes grosores de la capa absorbente de CIGS, desde 0,5 micrómetros (μm) hasta 5 μm, y descubrieron que se producía un aumento de la densidad de corriente debido a la mayor absorción de fotones, hasta una capa absorbente de 2,3 μm de grosor. También determinaron que se produce una saturación de la densidad de corriente para el grosor superior a 2,3 μm.

Con un grosor de absorbedor optimizado de 2,3 μm, la célula inferior mostró en la simulación que puede alcanzar una eficiencia de conversión de potencia del 16,26%, una tensión de circuito abierto de 0,64 V, una corriente de cortocircuito de 35,98 mA/cm2 y un factor de llenado del 70,51%.

“La caída de tensión a través de la célula solar en tándem es la suma de la caída de tensión a través de ambas subcélulas individualmente”, afirman los científicos, que añaden que la célula superior suministra menos corriente que la inferior en la configuración autónoma y actúa como célula limitadora de corriente.

El grosor de la célula superior/inferior del dispositivo en tándem, de 347 nm/2,0 μm, mostró una eficiencia del 29,72%, una tensión de circuito abierto de 1,92 V, una corriente de cortocircuito de 20,04 mA/cm2 y un factor de llenado del 77%.

Los científicos presentaron la tecnología de células en “Perovskite-CIGS Monolithic Tandem Solar Cells with 29.7% Efficiency: A Numerical Study” (Células solares monolíticas en tándem de perovskita-CIGS con una eficiencia del 29,7%: Un estudio numérico), publicado recientemente en Energy Fuels.

“La principal limitación del enfoque del espectro filtrado adoptado es que ignora las pérdidas por reflexión interfacial y los efectos de interferencia”, concluyeron. “El método de la matriz de transferencia (TMM) puede utilizarse en el futuro para calcular un espectro filtrado más preciso”.

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