Investigadores del Instituto de Ciencias Fotónicas (ICFO) de Barcelona, del University College de Londres (UCL) y del Imperial College de Londres han creado una nueva técnica para obtener células solares inorgánicas mil veces más delgadas que las actuales fotovoltaicas de silicio y que son eficientes y de fabricación más verde.

El avance, que publica este lunes la revista Nature Photonics, supone un logro para poder reducir en un futuro las dimensiones, el coste y la sostenibilidad en la fabricación de los paneles solares que ahora se hacen con células de silicio, que son más caras, tienen un alto consumo energético y necesitan placas pesadas y voluminosas.

Por eso, los científicos estudiaban desde hace tiempo posibles alternativas con células solares ultrafinas, pero tampoco habían podido resolver el problema porque contienen elementos tóxicos, como el plomo o el cadmio, o escasos, como el indio o el telurio.

Un camino lleno de obstáculos

En 2016, el investigador del ICFO Gerasimos Konstantatos logró fabricar una célula solar con nanocristales de 35 nanómetros de espesor y con una eficiencia de alrededor del 6% y, aunque representaba una alternativa “verde” prometedora frente al silicio, no consiguió un rendimiento lo suficientemente relevante para su comercialización.

Sin embargo, el ICFO siguió intentando desarrollar células solares ultrafinas trabajando con estructuras complejas para atrapar la luz, aunque, cuanto más delgada es la estructura, más difícil es obtener una absorción de energía óptima.

Ahora, los investigadores del ICFO Yongjie Wang y Ignasi Burgues-Ceballos; David Scanlon del University College London, y Aron Walsh y Seán Kavanagh, del Imperial College London, dirigidos por Konstantatos, han logrado dar un salto considerable y conseguir un resultado innovador.

Un nuevo récord de eficiencia

Se trata de una nueva técnica para fabricar estas células solares basadas en nanocristales AgBiS2 con unos coeficientes de absorción más altos comparados con cualquier otro material fotovoltaico utilizado hasta ahora.

Los investigadores han diseñado una capa de nanocristales en el interior de la célula solar con una nueva técnica, llamada ingeniería del desorden de cationes. Mediante un proceso de cocción suave de los nanocristales de AgBiS2, ajustaron las posiciones atómicas de los cationes dentro de la red cristalina y forzaron el intercambio de lugar entre los cationes.

De esta forma, obtuvieron una distribución homogénea de estos y lograron un material semiconductor con un coeficiente de absorción entre 5-10 veces mayor que cualquier otro material usado hasta ahora en tecnología fotovoltaica e incluso con un mayor rango espectral que va desde el ultravioleta (400 nanometros) hasta el infrarrojo (1.000 nanómetros).

Los investigadores han destacado que sus “cálculos mostraron que una distribución homogénea de cationes produciría un rendimiento óptimo de las células solares en estos materiales desordenados, lo que corrobora los descubrimientos experimentales”. Con estos resultados, construyeron una célula solar ultrafina y depositaron capa por capa los nanocristales de AgBiS2 sobre ITO/Glass, uno de los sustratos de óxido transparentes conductores más utilizados hoy en día.

Recubrieron los dispositivos con una solución de PTAA (poly triaryl amine) y, al iluminar el dispositivo con luz solar artificial, registraron una eficiencia de conversión de energía solar a electricidad en exceso al 9% para un dispositivo con un grosor total inferior a los 100 nanómetros, entre 10 y 50 veces más delgado que las tecnologías fotovoltaicas ultrafinas actuales y 1.000 veces más delgado que las células fotovoltaicas de silicio.

Células solares

Uno de las células fue enviada a un laboratorio de calibración fotovoltaica de Newport (Estados Unidos), que ha certificado su eficiencia para producir luz a partir de la iluminación solar. El investigador del ICFO Yongjie Wang ha declarado: “Es realmente emocionante ver que un dispositivo de 30 nanómetros ofrece una densidad de corriente de cortocircuito tan alta, de hasta 27 miliamperios/cm2, y una eficiencia de hasta el 9%”.

Por último, según Konstantatos, “los dispositivos fabricados para este estudio han establecido un récord entre las células solares inorgánicas en términos de estabilidad, forma y rendimiento, fabricadas de manera verde y a baja temperatura, con métodos de procesado que permitirá conseguir dispositivos fotovoltaicos absorbentes extremadamente delgados y altamente eficientes”.