Un equipo de investigación de la Universidad de Kafrelsheikh en Egipto ha propuesto una célula solar de kesterita con una capa de transporte de huecos de óxido de cobre (CuO) optimizada. Su dispositivo simulado logró una eficiencia máxima del 33,56%.
La kesterita, concretamente las células solares de sulfuro de cobre, zinc y estaño (CZTS), resulta una opción atractiva para células solares de película delgada asequibles debido a la abundancia y propiedades no tóxicas de los materiales y a los elevados potenciales de brecha de banda, según los investigadores, pero es necesario mejorar la eficiencia.
En el estudio, el equipo utilizó SCAPS-1D para simular una célula solar CZTS n-i-p de 1,3 eV y analizar cómo las variaciones en el espesor, la brecha de banda, la concentración de portadores y la temperatura de operación de las distintas capas, incluida la capa de transporte de huecos (HTL), la capa de transporte de electrones (ETL) y la capa absorbente, afectan el rendimiento de la célula solar.
Los materiales de HTL investigados incluyeron óxido de cobre(I) (CuO), óxido de cobre(I) (Cu₂O) y tiocianato de cobre(I) (CuSCN). «Al evaluar cómo estos materiales afectan el transporte de cargas, la eficiencia y el rendimiento del dispositivo, se identifica la HTL más adecuada para mejorar la eficacia global de las células solares de CZTS», señalaron los científicos.
La pila de película delgada propuesta fue la siguiente: un contacto frontal de óxido de estaño dopado con flúor (FTO), ETL de dióxido de titanio (TiO₂), capa absorbente de CZTS, CuO como HTL y contactos posteriores de oro (Au). «Se incorporaron parámetros de estudios previos para analizar la eficiencia de las células solares basadas en kesterita», apuntaron los científicos.
Las propiedades de la célula se examinaron a 300 K bajo condiciones estándar de iluminación. Un hallazgo clave fue que el aumento de la temperatura de operación perjudica el desempeño de la célula solar, observándose una disminución notable en la eficiencia en todas las configuraciones a medida que aumenta la temperatura.
Tras optimizar todos los parámetros, la simulación mostró una eficiencia máxima del 33,56%. Los valores de tensión de circuito abierto, densidad de corriente de cortocircuito y factor de llenado fueron 1,110866 V, 33,994 mA/cm² y 88,87142%, respectivamente.
Los resultados confirmaron que el espesor ideal para lograr la mayor eficiencia en este dispositivo es 1 μm. El equipo indicó que «el espesor óptimo de CuO» mejora la tensión de circuito abierto y reduce la recombinación, observando que si la capa de CuO resulta demasiado gruesa se generan pérdidas resistivas y se reducen la tensión de circuito abierto y la densidad de corriente de cortocircuito.
El trabajo se presentó en «Numerical simulation and optimization of FTO/TiO2/CZTS/CuO/Au solar cell using SCAPS-1D» (Simulación numérica y optimización de célula solar FTO/TiO₂/CZTS/CuO/Au utilizando SCAPS-1D), publicado en nature Scientific Reports. «Los hallazgos de estas simulaciones serán un paso inicial importante para identificar las condiciones óptimas para fabricar dispositivos solares de alta eficiencia», afirmó el equipo.
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