Transición energética: las células solares de nueva generación aumentan su eficiencia

19.04.2022 - Alemania

Un equipo de investigadores ha desarrollado una célula solar en tándem muy eficiente compuesta por perovskita y absorbentes orgánicos que puede producirse a un coste inferior al de las células solares convencionales de silicio. Se espera que el desarrollo de esta tecnología haga que la energía solar sea aún más sostenible.

Un equipo de investigación alemán ha desarrollado una célula solar en tándem que alcanza una eficiencia del 24%, medida según la fracción de fotones convertidos en electricidad (es decir, electrones). Se trata de un nuevo récord mundial, ya que se trata de la mayor eficiencia conseguida hasta ahora con esta combinación de absorbentes orgánicos y de perovskita. La célula solar fue desarrollada por el grupo del profesor Dr. Thomas Riedl de la Universidad de Wuppertal junto con investigadores del Instituto de Química Física de la Universidad de Colonia y otros socios del proyecto de las Universidades de Potsdam y Tubinga, así como del Helmholtz-Zentrum de Berlín y el Max-Planck-Institut für Eisenforschng de Düsseldorf.

Las tecnologías convencionales de células solares se basan principalmente en el semiconductor silicio y se consideran actualmente "lo mejor que hay". Apenas cabe esperar mejoras significativas en su eficiencia, es decir, más vatios de energía eléctrica por vatio de radiación solar recogida. Por eso es aún más necesario desarrollar nuevas tecnologías solares que puedan contribuir decisivamente a la transición energética. En este trabajo se han combinado dos de esos materiales absorbentes alternativos. Se utilizaron semiconductores orgánicos, que son compuestos basados en el carbono que pueden conducir la electricidad en determinadas condiciones. Se combinaron con una perovskita, basada en un compuesto de plomo-halógeno, con excelentes propiedades semiconductoras. Ambas tecnologías requieren mucho menos material y energía para su producción en comparación con las células de silicio convencionales, lo que hace posible que las células solares sean aún más sostenibles.

Dado que la luz solar consta de diferentes componentes espectrales, es decir, colores, las células solares eficientes tienen que convertir la mayor cantidad posible de esta luz solar en electricidad. Esto puede lograrse con las llamadas células en tándem, en las que se combinan diferentes materiales semiconductores en la célula solar, cada uno de los cuales absorbe diferentes rangos del espectro solar. En el estudio actual, los semiconductores orgánicos se utilizaron para las partes ultravioleta y visible de la luz, mientras que la perovskita puede absorber eficazmente en el infrarrojo cercano. Ya se habían explorado combinaciones similares de materiales en el pasado, pero ahora el equipo de investigación ha conseguido aumentar considerablemente su rendimiento.

Al inicio del proyecto, las mejores células en tándem de perovskita/orgánica del mundo tenían una eficiencia de alrededor del 20%. Bajo la dirección de la Universidad de Wuppertal, los investigadores de Colonia, junto con los demás socios del proyecto, lograron aumentar este valor hasta un 24%, algo sin precedentes. Para conseguir una eficiencia tan elevada, había que minimizar las pérdidas en las interfaces entre los materiales de las células solares", explicó la Dra. Selina Olthof, del Instituto de Química Física de la Universidad de Colonia. Para resolver este problema, el grupo de Wuppertal desarrolló una interconexión que acopla electrónica y ópticamente la subcelda orgánica y la subcelda de perovskita".

Como interconexión, se integró una fina capa de óxido de indio en la célula solar con un grosor de apenas 1,5 nanómetros para mantener las pérdidas lo más bajas posible. Los investigadores de Colonia desempeñaron un papel fundamental en la evaluación de las propiedades energéticas y eléctricas de las interfaces y la interconexión para identificar los procesos de pérdida y seguir optimizando los componentes. Las simulaciones realizadas por el grupo de Wuppertal demostraron que en el futuro podrían conseguirse células en tándem con una eficiencia superior al 30% con este enfoque.

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