Un grupo de investigadores dirigido por el Imperial College de Londres ha realizado un estudio para evaluar el límite superior de la eficiencia de conversión en células solares basadas en absorbedores de seleniuro de antimonio (Sb2Se3) y ha descubierto que estos dispositivos fotovoltaicos tienen potencial para alcanzar eficiencias cercanas al 26%.
El Sb2Se3 es un semiconductor inorgánico de tipo p con una estructura cristalina unidimensional y un bandgap directo en el rango de 1,2 eV a 1,9 eV. Posee excelentes propiedades optoelectrónicas. En los últimos años, también se ha utilizado como material absorbente para construir células solares. Las eficiencias alcanzadas por tales dispositivos han llegado a situarse entre el 5% y el 9,2%.
Estos niveles de eficiencia siguen estando muy por detrás de los de otras tecnologías de capa fina, como las células basadas en cobre, indio, galio y seleniuro (CISG), teluro de cadmio (CdTe), kesterita (CZTSSe) y silicio amorfo (a-Si). Esta brecha tecnológica podría depender del hecho de que características como la movilidad, el tiempo de vida de los portadores, la longitud de difusión, la profundidad de los defectos, la densidad de defectos y la cola de banda siguen siendo en gran medida desconocidas para la comunidad científica en el caso de la tecnología de células de Sb2Se3, ya que hasta la fecha no se han fabricado demasiados dispositivos de este tipo.
“Nuestro objetivo es utilizar simulaciones de mecánica cuántica para predecir si merece la pena investigar un material y optimizar una tecnología”, explica Aron Walsh, autor principal de la investigación, a pv magazine. “Las células solares de Sb2Se3 han alcanzado eficiencias de conversión de energía de aproximadamente el 10%. Demostramos que, aunque los defectos intrínsecos pueden mediar en la recombinación no radiativa electrón-hueco, las pérdidas de tensión pueden minimizarse utilizando condiciones de crecimiento selectivas”. Se prevé que este seleniuro admita eficiencias de hasta el 26%”.
Walsh se muestra optimista sobre el uso de este material en células solares de unión única y la incorporación de azufre para producir materiales con una brecha de banda más ancha, adecuados para células solares en tándem. “Con la investigación y optimización en curso, tenemos la esperanza de que se puedan lograr avances significativos en la próxima década”, añadió.
En el estudio “Upper efficiency limit of Sb2Se3 solar cells” (Límite superior de eficiencia de las células solares de Sb2Se3), publicado en Joule, el grupo de investigación británico investigó inicialmente los defectos puntuales intrínsecos de las células solares de Sb2Se3 y, a continuación, utilizó cálculos sistemáticos de primeros principios para evaluar sus procesos no radiativos de captura de portadores.
Los académicos también explicaron que otro factor clave para mejorar el rendimiento de las células de Sb2Se3 será la optimización de las condiciones de crecimiento. “Como prueba de concepto, demostramos que los efectos perjudiciales de las vacantes de Se pueden reducirse mediante la pasivación de oxígeno”, subrayaron.
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“Nos centramos en la química y la física subyacentes, y dejaré el análisis tecnoeconómico y la evaluación del ciclo de vida a los expertos”, dijo Walsh, cuando se le preguntó por los costes de producción de los dispositivos basados en Sb2Se3.
“Sin embargo, existe una clara ventaja potencial en comparación con sistemas como el CdTe, que contienen elementos menos sostenibles. El Sb2Se3 tiene potencial para competir tanto con otras tecnologías de capa fina como con el silicio cristalino, sobre todo por su creciente eficiencia y el uso de capas absorbentes ultrafinas que ofrecen nuevas oportunidades para construir sistemas fotovoltaicos integrados y flexibles”, concluyó.
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