Investigadores del Centre de Nanociences et de Nanotechnologies (C2N), en colaboración con investigadores del Fraunhofer ISE alemán, han atrapado la luz solar de manera eficiente en una célula solar gracias a una capa absorbente ultrafina hecha de GaAs de 205 nm de espesor en un espejo trasero nanoestructurado. Esta nueva arquitectura elevó la eficiencia de la celda a casi un 20 por ciento.

Hasta ahora, Las células solares de última generación con una eficiencia del 20 por ciento requerían capas de material semiconductor de al menos un micrómetro de espesor (GaAs, CdTe o seleniuro de cobre, indio, galio), o incluso 40 µm o más, en el caso del silicio. Una reducción significativa del espesor permitiría ahorros de material de materiales escasos como tellerium o indio y mejoras en el rendimiento industrial debido a tiempos de deposición más cortos. Sin embargo, El absorbente de adelgazamiento reduce automáticamente la absorción de luz solar y la eficiencia de conversión. Un espejo plano en la parte posterior de la celda puede provocar una absorción de doble paso, pero no más. Los intentos anteriores de atrapar la luz han tenido un rendimiento muy limitado por las pérdidas ópticas y eléctricas.

Investigadores del equipo dirigido por Stéphane Collin y Andrea Cattoni en el Centre de Nanosciences et de Nanotechnologies-C2N (CNRS / University Paris-Saclay), en colaboración con Fraunhofer ISE han desarrollado una nueva estrategia para atrapar la luz en capas ultrafinas hechas de arseniuro de galio de solo 205 nm de espesor, un semiconductor de la familia III-V. La idea rectora fue producir un espejo trasero nanoestructurado para crear múltiples resonancias superpuestas en la célula solar, identificadas como resonancias de Fabry-Perot y de modo guiado. Impiden que la luz permanezca más tiempo en el absorbedor, resultando en una absorción óptica eficiente a pesar de la baja cantidad de material. Gracias a numerosas resonancias, la absorción se mejora en un amplio rango espectral que se ajusta al espectro solar desde el visible al infrarrojo. Controlar la fabricación de espejos estampados a escala nanométrica fue un aspecto clave del proyecto. El equipo utilizó litografía de nanoimpresión, un barato, técnica rápida y escalable, para grabar una película de dióxido de titanio derivada de sol-gel.

¿Se pueden mejorar aún más las células solares ultrafinas? El trabajo publicado en Energía de la naturaleza demuestra que esta arquitectura debería permitir una eficiencia del 25 por ciento a corto plazo. Incluso si los límites aún se desconocen, los investigadores están convencidos de que el espesor podría reducirse aún más en al menos un factor de dos sin pérdida de eficiencia. Las células solares de GaAs todavía están comercialmente limitadas a aplicaciones espaciales debido a su costo. Sin embargo, Los investigadores ya están trabajando para extender este concepto a la energía fotovoltaica a gran escala hecha de CdTe, CIGS o materiales de silicona.