Los materiales solares de próxima generación ofrecen una alternativa más económica y respetuosa con el medio ambiente a las células solares de silicio tradicionales, pero aún persisten desafíos para lograr que estos dispositivos sean lo suficientemente duraderos como para soportar las condiciones del mundo real. Una nueva tecnología desarrollada por un equipo internacional de científicos podría simplificar el desarrollo de células solares de peróxido estables y eficientes, llamadas así por su estructura cristalina única que sobresale en la absorción de la luz visible.
Los científicos, incluido Nelson Dzade, miembro de la facultad de Penn State, informan en la revista Nature Energy que su nuevo método permite fabricar células solares de peróxido que son más duraderas y aún logran una alta eficiencia del 21,59% en la conversión de la luz solar en electricidad.
El diópsido es una tecnología solar prometedora porque las células se pueden fabricar a temperatura ambiente utilizando menos energía que los materiales de silicio tradicionales, lo que las hace más baratas de producir y más sostenibles, dijo Dezadeh, profesor asistente de ingeniería de energía e ingeniería mineral de la familia John y Willie Leon en el Departamento de Ingeniería de Energía e Ingeniería Mineral y coautor del estudio. Pero los principales candidatos para construir estos dispositivos, los haluros metálicos híbridos orgánicos-inorgánicos, contienen componentes orgánicos que son susceptibles a la humedad, el oxígeno y el calor, y pueden causar una rápida degradación del rendimiento cuando se exponen a condiciones del mundo real, dicen los científicos.
Una solución es cambiar a materiales peritécticos totalmente inorgánicos, como el yoduro de plomo y cesio, que ofrecen buenas propiedades eléctricas y una resistencia excepcional a los factores ambientales. Sin embargo, el material es policristalino, lo que significa que tiene múltiples fases con diferentes estructuras cristalinas. Dos de las especies fotoactivas son relativamente buenas para las células solares, pero pueden convertirse fácilmente en fases pobres y no fotoactivas a temperatura ambiente, introduciendo defectos que reducen la eficiencia de las células solares, dijeron los científicos.
Tecnología innovadora de heterounión en fase
Los científicos han combinado dos policristales fotoactivos de yoduro de plomo y cesio para formar una heterounión de fases, que inhibe la transición a fases no deseadas. Las heterouniones se forman apilando diferentes materiales semiconductores con diferentes propiedades optoelectrónicas, muy parecidas a las capas de las células solares. Estas uniones en los dispositivos solares se pueden personalizar para ayudar a absorber más energía del sol y convertirla en electricidad de manera más eficiente.
"La belleza de este trabajo es que muestra que usar dos policristales del mismo material para crear células solares de heterounión de fase es un enfoque viable", dijo Dzade. "Mejora la estabilidad del material y evita la interconversión entre las dos fases. La interfaz coherente formada entre las dos fases permite que los electrones fluyan fácilmente a través del dispositivo, aumentando así la eficiencia de conversión de energía. Eso es lo que demostramos en este trabajo".
El dispositivo creado por los investigadores logró una eficiencia de conversión de energía del 21,59%, que se encuentra entre los niveles más altos de este tipo de método, y tiene una excelente estabilidad. No sólo eso, el dispositivo aún puede mantener más del 90% de su eficiencia inicial después de 200 horas de almacenamiento en condiciones ambientales.
"Cuando se amplió desde el laboratorio a módulos solares reales, nuestro diseño logró una eficiencia de conversión de energía del 18,43% con un área de células solares superior a 7 pulgadas cuadradas (18,08 centímetros cuadrados)", dijo Dzade. "Estos resultados preliminares resaltan el potencial de nuestro enfoque para desarrollar módulos de células solares de peróxido de gran tamaño y evaluar de forma fiable su estabilidad".
Los investigadores modelaron las propiedades estructurales y electrónicas de la heterounión a escala atómica y descubrieron que la combinación de las dos fotoactividades crea una estructura interfacial estable y coherente que promueve la separación y transferencia eficiente de cargas, propiedades deseables para dispositivos solares eficientes.
Los colegas de Dzade en la Universidad Nacional de Chonnam en Corea del Sur desarrollaron un método único de deposición dual para fabricar el dispositivo: una fase depositada usando tecnología de aire caliente y la otra usando tecnología de evaporación térmica de tres fuentes. Sawanta S. Mali, profesora de investigación de la Universidad de Chonnam en Corea del Sur y primera autora del artículo, dijo que agregar una pequeña cantidad de moléculas y aditivos orgánicos durante el proceso de deposición mejora aún más el rendimiento eléctrico, la eficiencia y la estabilidad del dispositivo.
"Creemos que la tecnología de deposición dual que desarrollamos en este trabajo tendrá implicaciones importantes para la fabricación de células solares de peróxido eficientes y estables", dijo el coautor del estudio Nelson Dzade, profesor asistente de Ingeniería de Energía y Minerales de la Familia John y Willie Leon en el Departamento de Ingeniería de Energía y Minerales.
Los investigadores dicen que esta técnica de deposición dual podría allanar el camino para el desarrollo de más células solares basadas en componentes peritécticos totalmente inorgánicos u otros haluros peritécticos. Además de ampliar la tecnología a diferentes composiciones, el trabajo futuro incluye hacer que las células de heterounión de la fase actual sean más duraderas en condiciones del mundo real y escalarlas a las dimensiones de los paneles solares tradicionales, dicen los investigadores.
"Con este enfoque, creemos que la eficiencia de este material debería superar el 25% en un futuro próximo", afirmó Dzade. "Una vez que lo logremos, la comercialización estará a nuestro alcance".