Un nuevo material para células solares cuánticas promete una eficiencia cuántica externa del 190%

Investigadores de la Universidad de Lehigh (Estados Unidos) han desarrollado un nuevo material absorbente para células solares de película fina que, según se informa, presenta una absorción fotovoltaica media del 80% y una eficiencia cuántica externa (EQE, por sus siglas en inglés) del 190%.

La EQE es la relación entre el número de electrones recogidos por la célula solar y el número de fotones que la alcanzan. Define lo bien que una célula solar convierte los fotones en corriente eléctrica. “En las células solares tradicionales, la EQE máxima es del 100%, lo que representa la generación y recogida de un electrón por cada fotón absorbido de la luz solar”, explica en un comunicado Chinedu Ekuma, autor principal de la investigación.

En el artículo “Chemically tuned intermediate band states in atomically thin CuxGeSe/SnS quantum material for photovoltaic applications” (Estados de banda intermedia sintonizados químicamente en material cuántico CuxGeSe/SnS atómicamente delgado para aplicaciones fotovoltaicas), publicado en ScienceAdvance, los investigadores explican que el nuevo material cuántico puede ser ideal para las células solares de banda intermedia (IBSC).

Se cree que estos dispositivos tienen el potencial de superar el límite Shockley-Queisser, es decir, la máxima eficiencia teórica que puede alcanzar una célula solar con una única unión p-n. Se calcula examinando la cantidad de energía eléctrica que se extrae por fotón incidente.

El salto de eficiencia del material se atribuye en gran medida a sus característicos “estados de banda intermedios”, niveles de energía específicos que se sitúan dentro de la estructura electrónica del material de una forma que los hace ideales para la conversión de la energía solar”, explican los científicos. “Estos estados tienen niveles de energía dentro de los intervalos de subbanda óptimos, rangos de energía en los que el material puede absorber eficazmente la luz solar y producir portadores de carga”.

El nuevo material es un Van der Waals bidimensional (vdW) 2D, lo que significa que presenta una configuración plana cristalina unida por enlaces iónicos. Consiste en una heteroestructura que combina germanio (Ge), selenio (Se) y sulfuro de estaño (Sns) con átomos de cobre (Cu) cerovalente insertados entre las capas del material.

El material CuxGeSe/SnS presenta un bandgap de energía intermedia que oscila entre 0,78 eV y 1,26 eV. Con él, el grupo diseñó y modeló una célula solar de película fina con el material propuesto como capa activa.

Se supuso que el dispositivo se basaba en un sustrato de óxido de indio y estaño (ITO), una capa de transporte de electrones (ETL) basada en óxido de zinc (ZnO), un absorbedor CuxGeSe/SnS y un contacto metálico de oro (Au). “En nuestro diseño, el GeSe y el SnS atómicamente finos están apilados verticalmente, lo que facilita la fácil integración de las estructuras híbridas mediante interacciones de van der Waals”, especificó el equipo de investigación.

La simulación demostró que la EQE de la célula puede oscilar entre el 110% y el 190%. Los investigadores también comprobaron que, al aumentar el grosor del absorbente, la actividad óptica de la célula aumenta en longitudes de onda que van de 600 a 1.200 nm.

“La rápida respuesta y el aumento de la eficiencia de las muestras intercaladas con Cu indican claramente el potencial del GeSe/SnS intercalado con Cu como material cuántico para su uso en aplicaciones fotovoltaicas avanzadas, ofreciendo una vía para mejorar la eficiencia en la conversión de la energía solar”, concluyeron.

De cara al futuro, el grupo de investigación señaló que se necesitan nuevas investigaciones para encontrar una forma práctica de integrar el nuevo material en células solares reales. Sin embargo, también señalaron que las técnicas experimentales utilizadas para crear estos materiales ya son “muy avanzadas”.