Una nueva arquitectura de célula solar de dicalcogenuros promete una eficiencia del 25%

Investigadores de la Universidad de Stanford han demostrado una célula solar de dicalcogenuros metálicos de transición (TMDC) de 50 nm de una sola unión que podría alcanzar una eficiencia de conversión de energía del 25%.

“Hemos desarrollado un modelo riguroso del rendimiento de las células solares de TMD que tiene en cuenta factores intrínsecos y extrínsecos, como la calidad del material, y por tanto examina los verdaderos límites de rendimiento de las células solares de TMD, viables mediante la optimización del diseño, en función del grosor y la calidad del material”, declaró el investigador Koosha Nassiri Nazif a pv magazine.

Estructuraron el dispositivo con un absorbedor multicapa basado en disulfuro de molibdeno (MoS2), diseleniuro de molibdeno (MoSe2), disulfuro de tungsteno (WS2) y diseleniuro de tungsteno (WSe2). Los cuatro materiales tienen unas bandas de energía de 1,27 eV, 1,16 eV, 1,36 eV y 1,29 eV, respectivamente.

“Debido a sus grandes coeficientes de absorción e índices de refracción, todos estos TMD presentan una absorción de luz significativa incluso en películas ultrafinas de 5 nm de grosor”, explican los investigadores. “Como era de esperar por sus excepcionales características de absorción de la luz, todos los TMD pueden alcanzar una elevada corriente de cortocircuito incluso en espesores pequeños”.

Los científicos también colocaron un revestimiento antirreflectante en la superficie frontal de la célula y un retrorreflector perfecto en la cara posterior. También supusieron que las superficies tenían una textura no especular y que se creaban mediante grabado, lo que, según ellos, da lugar a una luz aleatoria y una absorción independiente del ángulo.

Simulada en condiciones de iluminación estándar, la arquitectura celular propuesta fue capaz de alcanzar eficiencias de hasta el 25%.

“Hemos demostrado que células solares TMD ultrafinas de 50 nm de grosor pueden alcanzar una eficiencia de conversión energética del 25%, incluso con la calidad actual de los materiales”, afirma Nazif. “Esto corresponde a una potencia específica aproximadamente diez veces superior a la de las tecnologías solares actuales en forma de células totalmente empaquetadas y unas cinco veces superior a la potencia específica en módulos totalmente empaquetados”.

Los académicos presentaron sus hallazgos en “Efficiency limit of transition metal dichalcogenide solar cells” (Límite de eficiencia de las células solares de dicalcogenuros de metales de transición), publicado recientemente en Communication Physics.

El mismo grupo de investigación fabricó en 2021 una célula solar flexible de dicalcogenuro metálico con una eficiencia del 5,1%. El dispositivo alcanzó una relación potencia-peso equiparable a la de tecnologías de capa fina consolidadas, como las de telururo de cadmio (CdTe); cobre, indio, galio y selenio (CIGS); silicio amorfo (a-Si); y células solares III-V.

Los dicalcogenuros de metales de transición (TMD) son materiales bidimensionales con notables propiedades semiconductoras y elevados coeficientes de absorción óptica. Esto los hace adecuados para la producción de células solares semitransparentes y flexibles con aplicaciones potenciales en la industria aeroespacial, la arquitectura, los vehículos eléctricos y la electrónica portátil, donde el peso ligero, una alta relación potencia-peso y la flexibilidad son muy deseables.