Un nuevo diseño de célula fotovoltaica en tándem de perovskita/CIGS promete una eficiencia del 38,39%

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Un grupo de investigadores de Bangladesh ha diseñado y simulado una célula fotovoltaica en tándem totalmente inorgánica y sin plomo basada en la tecnología de capa fina de cobre, indio, galio y selenio (CIGS) y en la perovskita.

Se afirma que la novedosa arquitectura del dispositivo tiene potencial para alcanzar una eficiencia de conversión de potencia del 38,39%. “El principal objetivo de este trabajo es hallar una combinación eficaz de células solares no tóxicas y de alta eficiencia que ahorre tiempo y esfuerzo antes de proceder a su fabricación”, explican los científicos, que señalan que la perovskita y los materiales utilizados para la célula no contienen plomo.

El diseño de célula solar propuesto consiste en una célula superior que utiliza un absorbedor hecho de un material de perovskita conocido como CsGe0,5Sn0,5I3 y una célula inferior basada en CIGS. Sus parámetros estructurales se optimizan conjuntamente para alcanzar la mayor eficiencia posible.

Los científicos utilizaron el software de capacitancia de células solares SCAPS-1D, una herramienta de simulación de células solares de película fina desarrollada por la Universidad de Gante (Bélgica), para simular el rendimiento de las células superior e inferior optimizadas por separado. “La célula fotovoltaica se modela en este software como una pila de capas, en la que se especifican el grosor de cada capa, el dopaje y otras propiedades físicas de los materiales que la componen”, explicaron.

Construyeron la célula superior con una capa de transporte de huecos (HTL) de óxido de níquel(II) (NiO), el absorbedor de perovskita, una capa de transporte de electrones de óxido de zinc (ZnO) y una capa de óxido de estaño dopado con flúor (TFO). La célula inferior se construyó con una capa de transporte de huecos Spiro-OMeTAD, un absorbedor CIGS, una capa de transporte de electrones de óxido de titanio (TiO2) y una capa de óxido de indio y estaño (ITO).

Según se informa, las dos HTL diferentes son capaces de proporcionar compensaciones adecuadas de la distribución de las bandas de valencia y conducción.

Para determinar el grosor óptimo del absorbedor de la célula superior, los investigadores simularon el dispositivo variando el grosor del absorbedor de 100 nm a 1000 nm. “Se observa que la eficiencia aumenta gradualmente de 100 nm a 1000 nm, casi empieza a saturarse a 800 nm y luego se maximiza a 1000 nm con un valor de 36,25%”, afirmaron.

La simulación demostró que las células superior e inferior pueden alcanzar una eficiencia potencial del 24,656% y el 25,062%, respectivamente. “Para ambas subceldas, la densidad de corriente coincide en torno a 18,64 mA/cm2, lo que significa la corriente de adaptación”, declararon los académicos. “Los resultados demuestran que el voltaje de la célula superior (1,4885 V) y el de la inferior (1,0006 V) se suman para dar lugar a un voltaje de la célula en tándem de 2,48 V, dominando la superior debido a su valor relativamente grande de voltaje en circuito abierto”.

En la simulación, la célula en tándem alcanzó una eficiencia del 38,39%, una tensión de circuito abierto de 2,48 V, una densidad de corriente de cortocircuito de 18,64 mA cm-2 y un factor de llenado del 83,40%. “Las matrices de rendimiento de la estructura en tándem propuesta superan las de la bibliografía más reciente”, afirma el grupo.

La célula solar se presentó en el artículo “Outstanding conversion efficiency of 38.39% from a Perovskite/CIGS tandem PV cell: A synergic optimization through computational modeling” (Extraordinaria eficiencia de conversión del 38,39% de una célula fotovoltaica en tándem Perovskita/CIGS: Una optimización sinérgica mediante modelización computacional), publicado en Heliyon. El grupo de investigación está formado por científicos de la Southeast University y la University of Liberal Arts Bangladesh.

“Los pasos asociados al diseño son generalizados, por lo que el método propuesto es aplicable también a células en tándem compuestas por otros materiales”, afirman también.

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