Un nuevo diseño de célula solar de kesterita promete una eficiencia del 29,37%

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Un grupo de investigadores de China y Malasia ha propuesto una nueva estructura para las células solares de película fina de sulfuro de cobre-zinc-estaño (CZTS) en un intento de mejorar la eficiencia y utilizar materiales más respetuosos con el medio ambiente.

El equipo eligió el óxido de wolframio (WO3) como capa amortiguadora basándose en las propiedades y el rendimiento que se habían descubierto en investigaciones anteriores, como su elevado bandgap y su «excelente conductividad eléctrica». Se utilizó para sustituir la capa amortiguadora de sulfuro de cadmio (CdS), que, según el equipo, es tóxica y tiene un costo elevado. Además, el equipo optó por aplicar un campo de superficie posterior (BSF, por sus iniciales en inglés) basado en Cu2ZnSnSe4 (CZTSe) entre la capa absorbente y el sustrato metálico de platino (Pt).

En el estudio, un dispositivo se estructuró sin la capa BSF, con óxido de zinc (ZnO) como capa ventana, WO3 como capa tampón, CZTS como capa absorbente y sustrato metálico de Pt, lo que los investigadores denominaron estructura Pt/CZTS/WO3/ZnO. El otro dispositivo tenía una estructura similar, pero con una capa CZTSe BSF adicional intercalada entre las capas CZTS y Pt, que se denominó estructura Pt/CZTSe/CZTS/WO3/ZnO.

A continuación, el grupo analizó las estructuras con y sin la capa BSF. Investigó cómo afectaban al rendimiento el grosor de la capa, la temperatura de funcionamiento, las capas de contacto posterior, los aceptores y los defectos de la capa BSF utilizando el software de capacitancia de células solares SCAPS-1D, desarrollado por la Universidad de Gante.

La comparación entre las dos estructuras demostró que la adición de la capa BSF podía aumentar el rendimiento de la célula solar CZTS. Los mejores resultados del dispositivo Pt/CZTSe/CZTS/WO3/ZnO indicaron un voltaje en circuito abierto de 1,2 V, un factor de llenado del 83,37% y una eficiencia de conversión de potencia del 29,3%. Según el equipo, se trataba de un resultado mejor que el de la célula solar sin capa BSF, cuya eficiencia era del 23,01%.

En sus observaciones finales, los científicos señalaron que en las prácticas industriales es necesario tener en cuenta los costos de los materiales, la sostenibilidad medioambiental y la densidad de defectos de los materiales para lograr una producción a gran escala. «La investigación futura debería centrarse en avanzar en el desarrollo y la estabilidad de las células solares de heterounión múltiple, explorar el dopaje con iones metálicos y mejorar las técnicas de película delgada», afirmaron, asegurando que esta investigación debería proporcionar una nueva forma de mejorar el rendimiento de células solares de estructura similar para permitir la industrialización de células fotovoltaicas de bajo costo y alta eficiencia.

La investigación se documenta en «Efficiency enhancement of CZTS solar cell with WO3 buffer layer using CZTSe BSF layer», publicado en Energy Reports. El equipo de investigación estaba formado por científicos de la Universidad de Wuhan (China), la Universidad Multimedia (Malasia) y la Universidad de Xiamen (Malasia).

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