Descifrar y probar nuevas formas de mejorar la eficiencia de los materiales fotovoltaicos policristalinos de capa fina de teluro de cadmio (CdTe) es un día típico en la vida de los científicos investigadores del Laboratorio Nacional de Energías Renovables (NREL) Matthew Reese y Craig Perkins. Ahora han hecho un descubrimiento que puede ser de gran ayuda para la próxima generación de varios tipos de células solares de capa fina.
Cuando los fragmentos de material de una célula solar se cristalizan juntos, o «crecen», crean una célula solar policristalina. Con muchas capas hay muchas superficies, donde termina una capa y empieza otra. Estas superficies pueden causar defectos que limitan la libertad de movimiento de los electrones, reduciendo la eficiencia de la célula. A medida que las células crecen, los investigadores pueden introducir compuestos específicos que minimizan la pérdida de electrones en estos defectos, en un proceso llamado «pasivación».
Reese, Perkins y la estudiante de doctorado de la Escuela de Minas de Colorado Deborah McGott observaron que las superficies de las células solares de CdTe tridimensionales (3D) parecían estar cubiertas por una capa bidimensional (2D) muy fina que eliminaba de forma natural los defectos superficiales.
Esta capa de pasivación 2D se forma en láminas sobre la capa absorbente de luz 3D a medida que la célula crece, en una técnica de procesamiento estándar que se utiliza en todo el mundo.
Reese, Perkins y McGott creían que la pasivación 2D también se producía de forma natural en otras células solares de capa fina, como el seleniuro de cobre, indio y galio (CIGS) y las células solares de perovskita (PSC). Se dieron cuenta de que esta observación podría conducir al desarrollo de nuevos métodos para mejorar el rendimiento de muchos tipos de células policristalinas de capa fina.
Una de las características únicas del NREL es que tenemos grandes grupos de expertos con diferentes conocimientos que trabajan en las tecnologías CdTe, CIGS y PSC. ¡Y hablamos entre nosotros! Confirmar nuestra hipótesis sobre la pasivación 3D/2D natural con nuestros colegas fue fácil porque compartimos los éxitos y los contratiempos de nuestras diversas investigaciones de forma continua, informal y colaborativa. Aprendemos unos de otros. No es algo que ocurra normalmente en la investigación de células solares policristalinas de capa fina con fines lucrativos, donde la información se guarda celosamente y los investigadores tienden a permanecer aislados en su tecnología específica.
Matthew Reese.
El equipo de Reese, Perkins y McGott utilizó técnicas de ciencia de superficies combinadas con experimentos de crecimiento de cristales para demostrar que las capas 2D existían en las superficies absorbentes 3D y las pasivaban en las tres principales tecnologías fotovoltaicas de capa fina policristalina. A continuación, analizaron las propiedades clave de los materiales 2D de éxito y desarrollaron un conjunto de principios para seleccionar los compuestos pasivantes.
Por último, el equipo esbozó estrategias de diseño clave que permitirán emplear la pasivación 3D/2D en las tecnologías fotovoltaicas policristalinas de capa fina de forma más general. Esto es especialmente importante porque cada material 3D requiere un enfoque de pasivación específico.
Los resultados de la investigación muestran que la pasivación 3D/2D puede ser el secreto del éxito para hacer posible la próxima generación de células solares de capa fina, especialmente si los investigadores comparten libremente los conocimientos desarrollados para cada tecnología. La falta de pasivación 3D/2D puede incluso arrojar luz sobre el estancamiento de las mejoras de rendimiento de algunas tecnologías policristalinas como el arseniuro de galio. Al establecer paralelismos entre las tres tecnologías, Reese, Perkins y McGott esperan demostrar cómo los conocimientos desarrollados en cada una de ellas pueden -y deben- ser aprovechados por otras tecnologías, un enfoque que rara vez se ve en la investigación de células solares policristalinas de capa fina.
Más información: www.sciencedirect.com
Vía www.nrel.gov
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