La sostenibilidad energética representa uno de los grandes desafíos a los que se enfrenta la sociedad moderna, y la energía solar fotovoltaica de película delgada brinda una de las mejores oportunidades para expandir rápidamente el uso de energía renovable. La energía fotovoltaica (PV) que utiliza telururo de cadmio semiconductor de película delgada (CdTe) se ha comercializado a escala de gigavatios (GW) por año, con 17,5 GW instalados a nivel mundial.

En muchas aplicaciones a escala de servicios públicos, Es menos costoso generar electricidad usando CdTe PV que los combustibles fósiles. El costo nivelado de energía (LCOE) de CdTe PV es ~ $ 0.04 / kWh, mientras que el LCOE promedio nacional de todas las fuentes es de $ 0,11 / kWh. Es más, las emisiones del ciclo de vida del metal pesado Cd de CdTe PV son más bajas que las de la generación de electricidad tradicional para la misma cantidad de energía generada. CdTe utiliza aproximadamente una centésima parte de la cantidad de materiales semiconductores utilizados para el PV de silicio c (el PV más común en uso en la actualidad) y puede procesarse 24 veces más rápido que el silicio c.

Para reducir aún más el costo de la electricidad de CdTe PV, Univ. Del Estado de Colorado (CSU) investigadores y socios del Center for Next Generation Photovoltaics, un Centro de Investigación Cooperativa de la Industria y la Universidad financiado por la National Science Foundation, desarrolló una hoja de ruta de desempeño (Figura 1). El progreso desde 2014 ha estado marcado por tres avances en la estructura celular básica de CdTe PV. El progreso fue posible gracias a las capacidades avanzadas de procesamiento de dispositivos desarrolladas en CSU combinadas con la caracterización de materiales de última generación por parte de sus socios.

El primer avance fue la sustitución de la tradicional capa emisora ​​de CdS por óxido de zinc dopado con magnesio (MZO). MZO tiene una banda prohibida más alta que permite que más fotones alcancen el absorbedor de CdTe. Además, MZO tiene un desplazamiento de banda de conducción que ayuda a reducir la recombinación interfacial, preservando así el voltaje.

Una segunda mejora en 2016 fue la incorporación de una capa de Te en la parte posterior de (abajo) el CdTe, lo que produjo un contacto mejorado y una mayor eficiencia. Estas mejoras permitieron que la eficiencia de CSU PV alcanzara el 18,3 por ciento (con certificación independiente) en 2016.

El mayor avance, sin embargo, fue la introducción de una capa de aleación de CdTe y CdSe (CdSeTe) frente al CdTe. Una ventaja de la capa CdSeTe es su banda prohibida más pequeña, lo que le permite producir más corriente. Más importante, sin embargo, tiene una vida útil de recombinación mucho más larga que CdTe, y parece formar un campo eléctrico en la dirección favorable en la transición a CdTe. Estas características juntas han movido el voltaje de la celda alrededor de 80 mV más cerca de la banda prohibida, y la eficiencia en los laboratorios de CSU (sin un revestimiento antirreflectante [AR]) alcanzó el 19,2 por ciento en 2017.

Además de las altas eficiencias celulares, el equipo de CSU ha construido estructuras de CdTe para sentar las bases para el próximo avance en desempeño. Por ejemplo, las estructuras han alcanzado vidas útiles de electrones fotogenerados por encima de 1, 000 nanosegundos, en comparación con menos de 10 nanosegundos en la mayoría de las células CdTe. Además, Las estructuras de CSU demuestran velocidades de recombinación interfacial inferiores a 80 cm / seg. en comparación con los valores típicos por encima de 104 cm / seg. Al mismo tiempo, socios de la Universidad del Estado de Washington. y el Laboratorio Nacional de Energías Renovables han alcanzado niveles de dopaje para huecos en CdTe superiores a 10 ^dieciséis cm ^–3 , que es mucho mayor que el típico mid-10 ¹⁴ cm ^–3 distancia.

Estos logros allanan un camino claro hacia eficiencias celulares aún mayores, y hacer del 25 por ciento una meta realista a corto plazo (3 años) y del 30 por ciento una meta alcanzable a largo plazo. Las ganancias de eficiencia conducirán a un menor LCOE de CdTe PV. Además, la investigación en CSU se realiza en sistemas a escala piloto, que se puede traducir fácilmente a la fabricación industrial.

"Los investigadores de CSU mantienen una estrecha relación entre la investigación de laboratorio y lo que tiene un impacto comercial, "dice Markus Gloeckler, Científico jefe de First Solar. First Solar es el mayor fabricante de módulos fotovoltaicos CdTe.