Hasta hace poco, las células solares basadas en calcopirita han logrado una eficiencia máxima de conversión de energía del 23,35%, según informó en 2019 Solar Frontier, una antigua empresa de energía solar con sede en Japón. Sin embargo, hasta ahora ha resultado ser un desafío seguir impulsando esta eficiencia.
Investigadores de la Universidad de Uppsala y del First Solar European Technology Centre AB (antiguo Evolar AB) en Suecia lograron recientemente una mayor eficiencia del 23,64% en células solares basadas en calcopirita. Esta eficiencia, reportada en Nature Energy , se logró utilizando dos técnicas principales:aleación de plata de alta concentración y clasificación de galio por contacto posterior pronunciado.
"Un objetivo principal de nuestro estudio fue aumentar la eficiencia de las células solares de película delgada basadas en CIGS para, en última instancia, reducir el precio por vatio pico de los correspondientes módulos a gran escala", dijo a Phys. Jan Keller, primer autor del artículo. org. "Nuestro trabajo utiliza los hallazgos de muchos grupos de investigación de todo el mundo, obtenidos durante las últimas décadas."
Un esfuerzo de investigación anterior que inspiró este artículo fue la exitosa aleación de plata con seleniuro de cobre, indio y galio, demostrada por primera vez por un grupo de investigación en Japón hace aproximadamente dos décadas. Además, los investigadores se inspiraron en investigaciones que se remontan a hace 10 años, que demostraron los efectos beneficiosos de implementar especies alcalinas pesadas en materiales absorbentes.
"Además de aprovechar unos 40 años de investigación internacional sobre células solares de calcopirita, combinamos cuatro enfoques diferentes para mejorar el rendimiento", explicó Keller. "Específicamente, agregamos una concentración relativamente alta de plata al absorbente, implementamos un perfil de profundidad de galio similar a un 'palo de hockey', adaptamos un tratamiento posterior a la deposición de RbF a la composición del absorbente y sometimos al absorbente a una iluminación prolongada". P>
Combinando estas estrategias de diseño y fabricación, Keller y sus colegas pudieron mejorar la microestructura de CIGS, reduciendo la densidad de defectos y mitigando las fluctuaciones de la banda prohibida. Además, podrían pasivar la superficie del absorbente de su célula solar y aumentar la densidad del dopaje.
En las pruebas iniciales, su celda solar CIGS logró una alta eficiencia radiativa externa del 1,6%, lo que resultó en un déficit de voltaje de circuito abierto relativamente bajo. En particular, el dispositivo alcanzó la eficiencia más alta registrada en células solares basadas en CIGS hasta la fecha y su rendimiento fue certificado externamente por el instituto independiente Fraunhofer ISE (Alemania).
"Pudimos aumentar la eficiencia récord anterior de las células solares basadas en CIGS del 23,35 % (Solar Frontier, 2019, Japón) al 23,64 % (certificada externamente), lo cual es una mejora sustancial", afirmó Keller. "Para la certificación externa una máscara de sombra (A=0,9 cm 2 ) tuvo que ser utilizado. Sin la máscara de sombra, incluso medimos una eficiencia del 23,75 % en nuestros laboratorios (A=1,03 cm 2 )."
El reciente trabajo de este equipo de investigadores introduce un proceso de producción prometedor para lograr mayores eficiencias en células solares basadas en calcopirita. Estos hallazgos podrían servir como base para seguir avanzando en estas células solares, contribuyendo potencialmente a su despliegue a gran escala.
En su artículo, Keller y sus colegas describen un conjunto de posibles estrategias para aumentar el rendimiento de las células solares basadas en calcopirita, con el objetivo de alcanzar una eficiencia superior al 25%. La más sencilla de estas estrategias implica mitigar las pérdidas por absorción parasitaria, lo que se puede lograr de varias maneras.
"En última instancia, es necesario reducir la densidad de defectos de la masa absorbente. Si bien CIGS-PV es más estable que los dispositivos de perovskita actuales con eficiencia récord, sufre pérdidas de recombinación no radiativa significativamente mayores. Por lo tanto, la investigación futura se concentrará en la interconexión una película de calcopirita aún mejor entre electrodos aún más transparentes", añadió Keller.
"Un estudio reciente realizado por EMPA (Suiza) demostró un alto potencial para aplicaciones bifaciales, que requieren intercambiar el contacto posterior de Mo por una capa de óxido conductor transparente."
Más información: Jan Keller et al, Aleación de plata de alta concentración y clasificación de galio de contacto posterior pronunciado que permite una célula solar de seleniuro de cobre, indio y galio con una eficiencia del 23,6 %, Nature Energy (2024). DOI:10.1038/s41560-024-01472-3
Información de la revista: Energía de la naturaleza
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