Un grupo de científicos dirigido por la Universidad Complutense de Madrid (España) ha fabricado por primera vez una célula solar de banda intermedia (IB, por sus iniciales en inglés) basada en fosfuro de galio (Gap) y titanio (Ti).
Se cree que las células solares IB tienen potencial para superar el límite Shockley-Queisser, es decir, la máxima eficiencia teórica que puede alcanzar una célula solar con una sola unión p-n. Se calcula examinando la cantidad de energía eléctrica que se extrae por fotón incidente.
Los dispositivos suelen estar diseñados para proporcionar una gran corriente fotogenerada y mantener un alto voltaje de salida. Incorporan una banda de energía que se llena parcialmente con electrones dentro de la banda prohibida de un semiconductor. En esta configuración de célula, los fotones con energía insuficiente para empujar electrones de la banda de valencia a la banda de conducción utilizan esta banda intermedia para generar un par electrón-hueco.
«Nuestro grupo lleva más de 15 años investigando estas células», explica a pv magazine Javier Olea Ariza, autor principal de la investigación. «Publicamos el primer artículo de la serie en 2009 y, en el último, hemos pasado a fabricar los primeros dispositivos reales. Los dispositivos aún no funcionan bien y su eficiencia actual es muy pobre. Aunque hay que seguir trabajando, estas células tienen el potencial teórico de alcanzar eficiencias en torno al 60%».
En el artículo «Optoelectronic properties of GaP:Ti photovoltaic devices» (Propiedades optoelectrónicas de los dispositivos fotovoltaicos GaP:Ti), publicado recientemente en Materials Today Sustainability, Olea Ariza y sus colegas explican que el GaP tiene un bandgap de 2,26 eV, que describen como «notablemente cercano» al óptimo teórico.
Construyeron la célula de 1 cm2 con un absorbedor de GaP:Ti de 50 nm de grosor, una capa de GaP de tipo p y contactos metálicos de oro (Au) y germanio (Ge). Los sustratos de GaP fueron facilitados por el instituto de investigación polaco Łukasiewicz-Itme. «La capa de GaP:Ti se modeló como una capa superficial de GaP muy fina con una concentración constante de Ti», explicaron los científicos.
A continuación, realizaron una serie de mediciones de transmitancia y reflectancia, así como elipsometría espectroscópica, y descubrieron que, a longitudes de onda superiores a 550 nm, existe una banda ancha que podría estar relacionada con una mayor absorción de luz como consecuencia de la incorporación de Ti.
«Los resultados confirman que el material GaP:Ti tiene un coeficiente de absorción muy alto en energías por debajo de 550 nm, que es uno de los objetivos de este trabajo», dijo Olea Ariza, señalando que aún queda mucho camino por recorrer antes de que esta tecnología pueda alcanzar la madurez comercial. «No tiene sentido pensar en ello hasta que tengamos un prototipo de laboratorio en el que hayamos resuelto los problemas y tenga una alta eficiencia».
De cara al futuro, los científicos afirmaron que quieren conseguir una mejor pasivación de la superficie mediante procesos de recocido de formación-gas, así como la reducción de las colas del perfil de profundidad del Ti utilizando una técnica de deposición en lugar de la implantación de iones de Ti.
«En futuros trabajos, buscaremos la obtención de capas de GaP:Ti más gruesas para integrarlas en dispositivos fotovoltaicos de alta eficiencia», señalaron. «No obstante, también sugerimos el uso de técnicas de deposición (como el sputtering) en lugar de la implantación iónica para alcanzar este espesor, con el fin de evitar las colas de implantación».
En el grupo de investigación participaron científicos del Instituto de Óptica del Consejo Superior de Investigaciones Científicas (IO-CSIC, Madrid) y de la Universidad Autónoma de Madrid.
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