Un nuevo concepto de energía fotovoltaica

El grupo de la profesora Yana Vaynzof del Centro Integrado de Física y Materiales Fotónicos (IAPP) y el Centro para el Avance de la Electrónica de Dresde (cfaed) de la Universidad Técnica de Dresde ha demostrado un novedoso concepto de células solares que aprovecha la capacidad de los materiales de existir en diferentes fases cristalinas. El estudio correspondiente se ha publicado ahora en la revista "Nature Energy".

El objetivo de una célula fotovoltaica es convertir la luz solar en electricidad. Al absorber la luz solar, se generan pares de portadores de carga que deben ser guiados a los lados opuestos del diodo fotovoltaico para producir corriente eléctrica. Para facilitar este proceso, la mayoría de las células solares incluyen una heterojunción que proporciona un paisaje energético favorable para impulsar las cargas a separarse. Por ejemplo, las células solares de silicio forman una heterounión dopando eléctricamente cada lado del dispositivo, formando una unión p-n. Las células solares orgánicas, por su parte, se basan en la mezcla de diferentes tipos de materiales (donante y aceptor) para formar una heterounión masiva. Sin embargo, estos conceptos no suelen ser aplicables a las nuevas clases de materiales fotovoltaicos.

La profesora Vaynzof y su equipo han mostrado ahora un concepto totalmente nuevo para la formación de una heterounión para la fotovoltaica. Para ello, los investigadores aprovechan el hecho de que los materiales pueden existir a menudo en diferentes configuraciones estructurales, denominadas fases cristalinas. Este fenómeno, denominado polimorfismo, significa que un mismo material puede presentar diferentes propiedades, dependiendo de la disposición específica de los átomos y moléculas en su estructura. Al interconectar dos de estas fases del mismo material, la profesora Vaynzof y su equipo demostraron por primera vez la formación de una célula solar de heterounión de fases. En concreto, los investigadores eligieron una perovskita de yoduro de plomo y cesio -un material absorbente de células solares muy eficiente- en las fases beta y gamma para hacer realidad su nuevo concepto.

"Las propiedades ópticas y electrónicas del yoduro de plomo y cesio en su fase beta y gamma son diferentes entre sí", explica el profesor Vaynzof. "Colocando una perovskita gamma sobre la beta hemos podido fabricar una célula solar de heterounión de fases, que es significativamente más eficiente en comparación con las células solares que se basan en perovskitas de una sola fase". Los investigadores muestran en su estudio que la capa superior de gamma-fase influye en el rendimiento de las células solares de múltiples maneras. "Incluso las capas finas de gamma-perovskita dieron lugar a una mejora del rendimiento debido a la pasivación de los defectos en la superficie de la capa inferior. Las capas más gruesas de gamma-perovskita dieron lugar a una mejora significativa de todos los parámetros de rendimiento fotovoltaico, y el dispositivo campeón alcanzó una eficiencia de conversión de energía superior al 20%", añade Ran Ji, autor principal del estudio. "El análisis espectroscópico avanzado reveló que esta mejora del rendimiento está asociada a una mayor absorción de la luz y a la formación de una alineación energética ventajosa entre las dos fases", explica el profesor Vaynzof. Y lo que es más importante, los investigadores confirmaron que la heterounión de fases se mantiene estable durante el funcionamiento de la célula solar e incluso suprime la migración de iones en el absorbedor de la célula solar, lo que resuelve un problema habitual de los materiales de perovskita.

Para hacer realidad el concepto de heterounión de fases, los científicos utilizaron dos procesos de fabricación diferentes para las capas superior e inferior. Este enfoque versátil abre el camino a la formación de otras estructuras de este tipo en el futuro. "Esperamos que este novedoso concepto, combinado con una ruta de fabricación sencilla para las heterouniones de fase, pueda aplicarse también a una variedad de sistemas materiales en una serie de dispositivos electrónicos y optoelectrónicos", afirma el profesor Vaynzof. Dado que muchas clases de semiconductores presentan polimorfismo, el concepto podría allanar el camino a aplicaciones totalmente nuevas que funcionen basadas en heterouniones de fase, que pueden crearse a partir de un único material utilizando procesos de fabricación sencillos y económicos.