Una célula solar en tándem de perovskita-perovskita que integra kesterita muestra una eficiencia potencial del 23,32%

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Un grupo internacional de investigadores ha diseñado una célula solar tándem de perovskita-perovskita que integra una capa de transporte de huecos (HTL, por sus siglas en inglés) hecha de kesterita (CZTSe).

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.

“Los materiales basados en cobre ofrecen una excelente estabilidad química, conductividad y movilidad de transporte de agujeros, lo que los hace ideales para HTL en dispositivos de perovskita”, afirman los científicos. “Además, CZTSe es terrestre, no tóxico, inorgánico y respetuoso con el medio ambiente, con un alto coeficiente de absorción de alrededor de 104 cm-1, una brecha de banda de energía directa optimizada de 0,95 eV y una estabilidad sobresaliente”.

Los científicos utilizaron el software de capacitancia de células solares SCAPS-1D, desarrollado por la Universidad de Gante, para simular la novedosa configuración de la célula. Para la célula superior utilizaron un material de perovskita de banda ancha conocido como MAGeI3, mientras que para el dispositivo inferior consideraron una perovskita de banda estrecha conocida como FAMASnGeI3. Ambos materiales son perovskitas de cationes mixtos sin plomo.

El dispositivo tándem simulado se construyó con un sustrato de óxido de estaño dopado con flúor (FTO), una capa de transporte de electrones (ETL) basada en titanato de estroncio (STO), el absorbedor MAGeI3, una unión túnel, el absorbedor FAMASnGeI3, la HTL CZTSe y un contacto metálico de oro (Au). El espesor ideal de los absorbedores MAGeI3 y FAMASnGeI3 fue de 450 nm y 400 nm, respectivamente. El de la unión túnel fue de 4 nm.

La simulación demostró que el dispositivo en tándem tiene potencial para alcanzar una eficiencia de conversión de potencia del 23,32 %, una tensión de circuito abierto de 0,970 V, una densidad de cortocircuito de 28,46 mAcm-2 y un factor de llenado del 84,43%.

“Se observó que la eficiencia de la célula depende del grosor de la unión túnel y de la selección de la función de trabajo del contacto frontal”, declararon los académicos. “Por lo tanto, se puede determinar que el dispositivo en tándem de perovskita catiónica mixta/CZTSe sin Pb funciona mejor que el dispositivo de unión única”.

El novedoso concepto de célula puede encontrarse en el estudio “Enhancing Solar Cell Efficiency through Tandem Structures Utilizing Lead-Free Mixed Cation Perovskites and CZTSe Absorber Layers” (Mejora de la eficiencia de las células solares mediante estructuras en tándem que utilizan perovskitas catiónicas mixtas sin plomo y capas absorbentes de CZTSe), publicado en Chemical Physics Impact. El equipo de investigación estaba formado por científicos de la Universidad Princesa Nourah bint Abdulrahman, la Universidad Al-Baha y la Universidad Taibah de Arabia Saudí, así como de la Universidad Faisalabad de Pakistán y la Universidad de Punjab. También participaron académicos de la Universidad Ettore Majorana de Astronomía de Catania (Italia).

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