El nuevo diseño de célula solar CIGS con trisulfuro de antimonio promete una eficiencia del 31,15%

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Un grupo internacional de científicos ha propuesto una nueva estructura de célula solar de seleniuro de cobre, indio y galio (CIGS) que utiliza trisulfuro de antimonio (Sb2S3) como capa de campo de superficie posterior (BSF).

El Sb2S3 es un candidato prometedor para la comunidad fotovoltaica debido a que sus elementos constitutivos son abundantes en la Tierra y respetuosos con el medio ambiente, junto con unas propiedades optoelectrónicas adecuadas, como una deseable brecha de banda de alrededor de 1,7 eV, un gran coeficiente de absorción y estabilidad a largo plazo.

Las capas BSF consisten en una región de mayor dopaje en la superficie posterior de la célula solar y se utilizan habitualmente para aumentar el voltaje de un dispositivo. “El Sb y el S están disponibles en abundancia en la Tierra. De ahí que la incorporación de una capa gruesa de Sb2S3 en las células solares CIGS industriales pueda reducir eficazmente sus costes de producción”, afirman los investigadores. “Al reducir el grosor y el coste de la capa absorbente de CIGS, este enfoque promete hacer la energía solar más accesible y sostenible”.

Simularon numéricamente y optimizaron la célula solar mediante el software de capacitancia de células solares SCAPS-1D, desarrollado por la Universidad de Gante, para simular el novedoso diseño de la célula.

Los académicos fabricaron la célula con una capa de contacto posterior hecha de níquel (Ni), la capa BSF basada en Sb2S3, un absorbedor CIGS, una capa de transporte de electrones (ETL) hecha de disulfuro de estaño (SnS2), una capa ventana basada en óxido de estaño dopado con flúor (FTO) y un electrodo frontal hecho con aluminio (Al).

En la simulación, los investigadores optimizaron los grosores de las capas tampón, absorbente y BSF. También investigaron la densidad del aceptor, la densidad de defectos, la capacitancia-voltaje (C-V), la densidad de defectos de la interfaz, las tasas de generación y recombinación, la temperatura de funcionamiento, la densidad de corriente y la eficiencia cuántica.

“Después de la optimización de los detalles, los espesores óptimos para la ventana FTO, absorbente CIGS, buffer SnS2, y capas Sb2S3 BSF se encuentran para ser 0,05 μm, 1,0 μm, 0,05 μm y 0,20 μm, respectivamente”, dijo el grupo. “El gran grosor del búfer crea la resistencia en serie y las pérdidas de absorción en la estructura de la célula solar. Dado que el tampón permite que la luz entre en el dispositivo de célula solar, se necesita una transparencia excelente y el grosor adecuado, que es el de 0,05 mm para el tampón de SnS2 en nuestra estructura propuesta.”

Con esos parámetros optimizados, la célula de doble heterounión (DH) simulada presentaba una eficiencia de conversión de potencia del 31,15%, una tensión de circuito abierto de 1,08 V, una densidad de corriente de cortocircuito de 33,75 mA cm2 y un factor de llenado del 88,50%. Una célula CIGS de referencia optimizada y simulada sin las capas BSF de Sb2S3 alcanzó una eficiencia del 22,14%, una tensión de circuito abierto de 0,91 V, una densidad de corriente de cortocircuito de 28,21 mA cm2 y un factor de llenado del 86,31%.

“Los resultados de este estudio aportan información sobre el desarrollo de una capa ultradelgada de Sb2S3 BSF, que puede incluirse en las células solares CIGS convencionales para mejorar su eficiencia y reducir el coste del material absorbente”, concluye el grupo.

Sus hallazgos y el concepto de célula solar se presentaron en el estudio “Improving the efficiency of a CIGS solar cell to above 31% with Sb2S3 as a new BSF: a numerical simulation approach by SCAPS-1D” (Mejora de la eficiencia de una célula solar CIGS por encima del 31 % con Sb2S3 como nuevo BSF: un enfoque de simulación numérica mediante SCAPS-1D), publicado en RSC Advances. El equipo estaba formado por científicos de la Universidad Begum Rokeya de Bangladesh, la Universidad de Ciencia y Tecnología Hajee Mohammad Danesh y la Universidad de Ciencia y Tecnología de Pabna, así como de la Universidad Autónoma de Querétaro de México, la Universidad de Ciencias Al-Karkh de Irak y la Universidad Rey Jalid de Arabia Saudí.

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