Las células solares son una parte vital de la transición energética verde. Pueden utilizarse no sólo en tejados y granjas solares, sino también para alimentar vehículos autónomos, como aviones y satélites. Sin embargo, las células solares fotovoltaicas son actualmente pesadas y voluminosas, lo que dificulta su transporte a lugares remotos fuera de la red, donde son muy necesarias.
Ahora, un equipo de investigadores del Imperial College de Londres, Cambridge, UCL, Oxford y el Helmholtz-Zentrum de Berlín (Alemania), entre otros, ha producido materiales que pueden absorber niveles comparables de luz solar con más fuerza que las tecnologías de células solares convencionales y que pueden imprimirse con tinta. El material puede recoger la luz solar utilizando capas de sólo 1/500 de grosor de un mechón de pelo.
El nuevo material ecológico encontrado por los investigadores es el sulfuro de sodio y bismuto (NaBiS2), que se cultiva en forma de nanocristales y se deposita a partir de una solución para formar películas de 30 nanómetros de grosor. El NaBiS2 se compone de elementos no tóxicos que son lo suficientemente abundantes en la corteza terrestre para su uso comercial.
Hemos encontrado un material que absorbe la luz con más fuerza que las tecnologías convencionales de células solares y que puede imprimirse a partir de una tinta. Esta tecnología tiene potencial para fabricar células solares ligeras que puedan transportarse fácilmente o utilizarse en aplicaciones aeroespaciales.
Yi-Teng Huang, estudiante de doctorado de la Universidad de Cambridge y cofundador.
Los iones de sodio y bismuto en el NaBiS2 tienen tamaños similares, lo que significa que en lugar de ocupar sitios cristalográficos diferentes (ordenados), ocupan el mismo sitio (desordenado). Como resultado, la estructura cristalina cambia a sal gema, que se parece a la sal de mesa. Pero el sodio y el bismuto no se distribuyen uniformemente en el material, lo que tiene un efecto significativo en la fuerza de absorción.
El desorden ha sido considerado durante mucho tiempo como el enemigo de las células solares. Se sabe que mata la eficiencia de los materiales solares convencionales como el silicio (Si), el teluro de cadmio (CdTe) y el arseniuro de galio (GaAs), por lo que los investigadores se han centrado en evitarlo a toda costa. Este trabajo, junto con otros estudios recientes de nuestro grupo y de otros, demuestra que esto no es necesariamente así. Más bien, si podemos entender y controlar este desorden, puede ser una poderosa herramienta para ajustar las propiedades de los materiales y obtener un rendimiento récord en una amplia gama de aplicaciones, no sólo en las células solares, sino también en los LEDs y los termoeléctricos, por ejemplo. Es una perspectiva apasionante para la investigación de materiales.
Seán Kavanagh, coprimer autor de la investigación.
Los investigadores también descubrieron que el desorden tiene un efecto significativo e inusual en el transporte de cargas fotogeneradas en el material. La distribución no homogénea de los iones de sodio y bismuto da lugar a la formación de estados electrónicos localizados, que capturan rápidamente las cargas. Estas cargas viven en estos estados durante decenas de microsegundos, es decir, al menos 100 veces más que en otros semiconductores novedosos.
Además, descubrieron que los defectos atómicos desempeñan un papel insignificante en el NaBiS2 porque el transporte de cargas está dominado por los efectos de estos estados localizados. Estos resultados demuestran la importancia de controlar el grado de desorden y comprender la influencia en los estados electrónicos de los materiales.
La investigación también demostró que el NaBiS2 es estable en el aire durante todo el tiempo que duró su prueba de 11 meses sin necesidad de encapsularlo. Esto sugiere la durabilidad a largo plazo del material en los dispositivos, que es un requisito clave para las células solares comerciales.
Los investigadores prevén que estos descubrimientos despertarán un mayor interés por el NaBiS2 y otros materiales similares, especialmente para comprender el papel del desorden catiónico y las interacciones entre las cargas y la red cristalina.
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