Un grupo de científicos dirigido por la Universidad china de Lanzhou y el fabricante chino de módulos fotovoltaicos Longi ha diseñado una célula solar de heterounión (HJT) de silicio sin dopar basada en una capa transportadora de huecos que depende de un carburo de titanio bidimensional funcionalizado conocido como Ti3C2Tx o MXene.
Los compuestos MXene toman su nombre de su morfología similar al grafeno y se fabrican mediante el grabado selectivo de determinadas capas atómicas de un cristal a granel conocido como MAX. Recientemente, los materiales de MXeno se han mostrado prometedores para su uso en tecnología fotovoltaica debido a sus propiedades optoelectrónicas únicas, como su gran movilidad de portadores de carga, excelente conductividad metálica y alta transmitancia óptica.
Además, estos componentes tienen una función de trabajo (WF) más ajustable que los óxidos metálicos y los materiales de carbono que suelen utilizarse para minimizar la absorción parasitaria de la luz de longitud de onda corta en las células de heterounión. «El MXene tiene una WF más fácil de ajustar debido a sus abundantes grupos terminales superficiales y es más estable que los materiales orgánicos relacionados con el PEDOT:PSS», declaró a pv magazine el autor de la investigación, Junshuai Li.
Los investigadores definieron la célula solar como un dispositivo de «heterounión posterior», ya que se fabricó fundiendo el Ti3C2Tx en la cara posterior de una oblea de silicio monocristalino de tipo-n de 200 μm de grosor. A continuación, trataron el compuesto con cloruro de cobre (CuCl2).
«La solución etanólica de CuCl2 (10 mg mL 1) de 60 μL se recubrió por rotación sobre la película de MXeno y, a continuación, se calentó a 60 C durante 10 minutos», explicaron los científicos. «Debido al efecto dipolar superficial, la estructura electrónica del MXeno puede regularse mediante el enriquecimiento de las terminaciones superficiales específicas, lo que da lugar al desplazamiento del nivel de Fermi y a la redistribución de electrones, provocando en consecuencia el cambio de WF».
La célula experimental se construyó con un electrodo de plata (Ag), una capa de transporte de electrones (ETL) de óxido de zinc (ZnO), un absorbedor de silicio, la capa transportadora de agujeros (HTL) de MXeno, y otro contacto de Ag. «El electrodo de Ag, con un WF de 4,26 eV, es compatible con la capa de ZnO para la captación eficaz de electrones. Además, la capa de ZnO desempeña una función antirreflectante», especifican los científicos. «Cuando entran en contacto con la capa de MXene, los electrones del n-Si fluyen hacia el MXene debido a la diferencia en los niveles de Fermi entre ambos».
Probado en condiciones de iluminación estándar, el dispositivo mostró una eficiencia de conversión de potencia del 12,2%, una tensión de circuito abierto de 0,615 V, una densidad de corriente de cortocircuito de 30,75 mA/cm2 y un factor de llenado del 64,57%. «Hay un amplio margen de mejora», dijo Li refiriéndose a estas cifras. «Mejorar el contacto interfacial entre n-Si y MXene es una parte crítica a explorar».
También se comprobó que la célula conservaba en torno al 86% de su eficiencia inicial tras 105 días de exposición en el ambiente.
El nuevo concepto de célula se presentó en el estudio “Construction of back-heterojunction crystalline silicon solar cells using Fermi-level-adjusted MXene by CuCl2”, publicado en la revista Journal of Power Sources. «Nuestro trabajo representa un valioso intento de desarrollar células solares novedosas que puedan tener una elevada relación rendimiento-coste», concluyó Li.
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