Una célula solar 2D basada en dicalcogenuros de metales de transición promete una eficiencia del 12,87%

Un grupo de investigadores de la Universidad de Pensilvania (Estados Unidos) ha diseñado una célula solar 2D basada en dicalcogenuros de metales de transición (TMDC) con una estructura especial de superred que, según se informa, permite mayores niveles de absorción solar.

Los TMDC son materiales bidimensionales con notables propiedades semiconductoras y elevados coeficientes de absorción óptica, lo que los hace idóneos para fabricar células solares semitransparentes y flexibles con posibles aplicaciones en la industria aeroespacial, la arquitectura, los vehículos eléctricos y la electrónica vestible, donde son muy deseables la ligereza, una elevada relación potencia-peso y la flexibilidad.

“Creo que la gente se está dando cuenta poco a poco de que los TMDC 2D son materiales fotovoltaicos excelentes, aunque no para aplicaciones terrestres, sino para aplicaciones móviles, más flexibles, como las espaciales”, explica Deep Jariwala, autor principal. “El peso de las células solares TMDC 2D es 100 veces menor que el de las células solares de silicio o arseniuro de galio, así que de repente estas células se convierten en una tecnología muy atractiva”.

Los científicos construyeron la célula con un absorbedor monocapa de disulfuro de molibdeno (MoS2), un aislante de 3 nm a base de óxido de aluminio (Al2O3) colocado sobre un sustrato de Al2O3 y oro (Au), sirviendo este último de reflector. “El grosor de la capa de Al2O3 se ha optimizado para mejorar la generación de fotocarriers”, explicaron. “La capa activa del dispositivo es intrínseca y mide 0,98 μm de longitud, con electrodos de cátodo y ánodo de plata y oro que miden 0,01 μm de longitud cada uno”.

Según los investigadores, la novedad de esta célula consiste en su estructura de superred, que, según afirman, permite separar las capas de los TMDC 2D mediante un espaciador o capa no semiconductora. “Espaciar las capas permite hacer rebotar la luz muchísimas veces dentro de la estructura de la célula, incluso cuando ésta es extremadamente delgada”, explica Jariwala, señalando que la célula muestra grandes energías de enlace de los excitones.

En una serie de simulaciones, el diseño de célula propuesto con contactos separados alcanzó una eficiencia de conversión energética del 12,87%. A modo de comparación, las células solares 2D TMDC reales habían alcanzado hasta ahora eficiencias de hasta el 6%.

“No esperábamos que unas células tan delgadas alcanzaran un valor del 12%. Dado que las eficiencias actuales son inferiores al 5%, mi esperanza es que en los próximos 4 ó 5 años se puedan demostrar células con una eficiencia del 10% o superior”, afirman los investigadores.

Describen la nueva tecnología celular en el artículo “How good can 2D excitonic solar cells be?”, publicado en device. “Nuestros hallazgos indican que las células fotovoltaicas 2D basadas en TMDC, cuando se optimiza su diseño óptico y electrónico, presentan un rendimiento superior al de otros materiales de película fina en términos de densidad de potencia, lo cual es vital para muchas aplicaciones como la aeroespacial, la teledetección y la tecnología portátil”, concluyen.