Investigadores de la Universidad de Loughborough, en el Reino Unido, han diseñado una célula solar de telururo de cadmio (CdTe) con una capa tampón de óxido de níquel (NiO) depositada sin oxígeno, lo que supuestamente mejora considerablemente la tensión de circuito abierto del dispositivo.
Explicaron que las células de CdTe suelen presentar bajos niveles de tensión en circuito abierto, ya que estos dispositivos dependen de una vida útil de portadores minoritarios baja, una densidad de portadores baja y contactos posteriores no óhmicos. Para resolver este problema, utilizaron NiO, que es un eficaz reflector de electrones debido al gran desplazamiento de la banda de conducción, como capa amortiguadora trasera para formar un contacto trasero óhmico.
«La transmisión óptica y las brechas de banda se ven afectadas por la entrada de oxígeno, reduciéndose típicamente en ambos aspectos al aumentar el oxígeno», explicaron los científicos. «El NiO empieza a mostrar cambios estructurales al introducir oxígeno, formando vacantes de níquel. Estos cambios característicos sugieren que existe un punto de compensación que debería estudiarse en relación con su uso como capa tampón posterior para células solares de CdTe».
El grupo de investigación utilizó el software de capacitancia de células solares SCAPS-1D, desarrollado por la Universidad de Gante, para simular una novedosa configuración de células de CdTe. El dispositivo de 0,25 cm2 se basaba en un sustrato de vidrio y óxido de estaño dopado con flúor (FTO), una capa de transporte de electrones (ETL) de óxido de estaño (SnO2), un absorbedor de CdTe, la capa tampón de Nio con un grosor de 100 nm y contactos metálicos de oro (Au).
En la arquitectura de célula propuesta, la capa tampón posterior de NiO aumenta la eficiencia del dispositivo al reducir la altura de la barrera en el contacto posterior de Au y mejorar el desplazamiento de la banda de valencia en la interfaz CdTe/NiO.
«La capa de NiO también da lugar a un gran desplazamiento de la banda de conducción en la interfaz CdTe/NiO, formando así un reflector de electrones eficaz para reducir la recombinación de la interfaz y aumentar la tensión de circuito abierto», explica el equipo, señalando que el desplazamiento de la banda de conducción entre NiO y CdTe es grande.
«Entre 0-20% de oxígeno, el valor se sitúa entre 2,65 eV y 2,86 eV y entre 40-60% se reduce a 2,18 eV y 2,21 eV», explicaron además los académicos. «Aumenta de nuevo al 80% hasta 2,62 eV. El gran desplazamiento de la banda de conducción mejoraría directamente el voltaje de circuito abierto al ser reflectores eficientes de electrones, lo que evita la acumulación de electrones en la interfaz y reduce la recombinación de la interfaz».
El nuevo concepto de célula solar se presentó en el estudio «The effect of oxygen on NiO as a back buffer layer in CdTe solar cells» (El efecto del oxígeno sobre el NiO como capa amortiguadora posterior en células solares de CdTe), publicado en la Royal Society of Chemistry. De cara al futuro, el equipo tiene previsto mejorar aún más la capa de NiO optimizando la temperatura del sustrato durante la pulverización catódica.
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