Científicos de la Universidad Tecnológica de Dalian (China) han diseñado una célula solar en tándem basada en dos dispositivos fotovoltaicos ambos basados en kesterita (CZTSSe).
“A través de nuestra simulación, mejoramos el rendimiento de las dos células ajustando la alineación de bandas en las interfaces, seleccionando capas tampón adecuadas y añadiendo una capa doble a ambas subceldas”, explicó a pv magazine la autora correspondiente de la investigación, Bita Farhadi.
En el estudio “Numerical modeling and performance analysis of a novel Cd-free all-Kesterite tandem solar cell using SCAPS-1D” (Modelado numérico y análisis de rendimiento de una nueva célula solar en tándem totalmente de Kesterita sin CD utilizando SCAPS-1D), publicado en Next Materials, el grupo de investigación afirma haber utilizado el software de capacitancia de células solares SCAPS-1D, desarrollado por la Universidad de Gante, para simular la novedosa configuración de la célula.
Los investigadores diseñaron la célula superior con una capa de aluminio (Al), una capa amortiguadora de estaño, manganeso y oxígeno (SnMnO2), un absorbedor de kesterita, una doble capa de sulfuro de cobre, zinc y estaño (CZTS) y el contacto metálico de níquel (Ni). La célula inferior se diseñó con una capa de Al, una película ultrafina de óxido de zinc dopado con aluminio (AZO), una capa ventana de óxido de zinc (i-ZnO), dos capas de kesterita y un contacto metálico de Ni.
“El SnMnO2 dopado con Mn es un material adecuado para la capa ventana de las células solares de película fina, ya que es asequible y respetuoso con el medio ambiente”, explican los científicos, que señalan que este compuesto está sustituyendo al sulfuro de cadmio (CdS) utilizado habitualmente. “La célula solar modificada funciona mejor tanto en términos de corriente de cortocircuito como de tensión de circuito abierto. Estos incrementos no se deben al ajuste adecuado de los parámetros, sino también a la correcta reunión de la capa tampón y la capa ventana con un desplazamiento de banda adecuado en la interfaz tampón/ventana”.
El grupo consiguió la adaptación de corriente entre las subceldas ajustando el grosor de la capa absorbente CZTS en el dispositivo superior. Además, introdujo una segunda capa absorbente de kesterita en el dispositivo inferior para minimizar el desplazamiento de la banda de conducción (CBO) y aumentar su tensión en circuito abierto.
Mediante la simulación, los académicos descubrieron que el grosor ideal del absorbedor en la subcelda superior es de 143,3 µm, mientras que para la subcelda inferior calcularon un grosor de 1,5 µm. Estos tamaños darían como resultado un valor idéntico de densidad de corriente de 20,29 mA/cm2.
El dispositivo tándem campeón diseñado mediante la simulación alcanzó una eficiencia de conversión de potencia del 23,96%, una tensión de circuito abierto de 1,637 V, una corriente de cortocircuito de 20,29 mA/cm2 y un factor de llenado del 72,05%.
La célula superior alcanzó una eficiencia del 14,05%, una tensión en circuito abierto de 1,0 V, una corriente de cortocircuito de 20,29 mA/cm2 y un factor de llenado del 68,86%. El dispositivo inferior alcanzó una eficiencia del 20,0%, una tensión de circuito abierto de 0,632 V, una corriente de cortocircuito de 20,29 mA/cm2 y un factor de llenado del 81,14%.
“Nuestro diseño en tándem con una alineación óptima de bandas en las interfaces ZnMnO/CZTS y ZnSe/CZTSe supera al diseño anterior con una estructura CdS/absorbente y ZnS/absorbente”, declararon los académicos. “Estos resultados de simulación allanan el camino para seleccionar la mejor combinación de materiales y diseñar células solares de kesterita de unión simple y en tándem altamente eficientes”.
La kesterita es uno de los materiales absorbentes de luz más prometedores para su posible uso en células solares de película fina de bajo coste. La kesterita incluye elementos comunes como cobre, estaño, zinc y selenio. A diferencia de los compuestos CIGS, no se prevén cuellos de botella en el suministro en el futuro.
Sin embargo, la kesterita sigue siendo menos eficiente que el CIGS en la producción en masa. El récord mundial de este tipo de células es del 12,6%, alcanzado en dispositivos de gran superficie por el productor japonés de capa fina Solar Frontier en 2013.
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