La Academia China de Ciencias (CAS, por sus iniciales en inglés) ha fabricado una célula solar de kesterita (CZTSSe) que ha alcanzado una eficiencia de conversión de energía récord mundial del 15,45 % y una eficiencia certificada del 15,04 %.
La kesterita es uno de los materiales absorbentes de luz más prometedores para su posible uso en células solares de capa fina de menor costo. Las kesteritas incluyen elementos comunes como el cobre, el estaño, el zinc y el selenio. A diferencia de los compuestos CIGS, (Cobre, Indio, Galio y Selenio) no se prevén problemas de suministro en el futuro. Sin embargo, la kesterita sigue siendo menos eficiente que el CIGS en la producción en masa.
Antes de este último resultado, el récord mundial para las células de kesterita era del 14,2 %, logrado para dispositivos a escala de laboratorio por la misma CAS en junio de 2024.
Los investigadores abordaron un reto persistente en los dispositivos CZTSSe: la migración incontrolable de iones metálicos. Esto ocurre cuando los iones móviles, incluidos el cobre, el estaño y el zinc, intercambian posiciones dentro de la red cristalina, creando defectos que actúan como centros de recombinación y reducen la eficiencia. Bajo un campo eléctrico, estos iones pueden migrar a las interfaces o a los límites de grano, provocando histéresis en el comportamiento corriente-voltaje y una degradación gradual del rendimiento. Los iones migrantes también pueden reaccionar con otras capas, formando fases secundarias que comprometen la estabilidad y la fiabilidad a largo plazo.
Para abordar este problema, los científicos propusieron una nueva estrategia basada en el equilibrio de fases interfaciales. Desarrollaron una interfase basada en un compuesto de sulfuro de litio y estaño conocido como Li₂SnS₃ (LTS), que modifica las rutas de migración de los cationes y controla el movimiento de los iones móviles. Esta interfase equilibra las diferencias en la migración del cobre y el estaño, reduce los defectos antisite y estabiliza la unión de las celdas, mejorando tanto la eficiencia como la fiabilidad a largo plazo del dispositivo.
«La interfase LTS encapsula selectivamente los granos intermedios CTSSe, convirtiéndose así en la capa que determina la velocidad de la migración de iones», explicaron los académicos. «La diferencia en las barreras de migración entre el zinc y el estaño se reduce de 0,41 eV en CTSSe a 0,21 eV en la interfase LTS. Al ralentizar la cinética de la reacción, la interfase LTS permite un crecimiento más controlado de los granos, lo que favorece la formación de granos más grandes y uniformes. Esto reduce significativamente los defectos de nivel profundo y mejora la calidad cristalina general».
Probada en condiciones de iluminación estándar, la célula alcanzó una eficiencia del 15,45 % y un voltaje de circuito abierto superior a 600 mV con un intervalo de banda de 1,10 eV, lo que se describe como un voltaje excepcionalmente alto para la kesterita. Un tercero no revelado certificó una eficiencia del 15,04 %.
«Este avance ha dado lugar a la creación de una cartera de propiedad intelectual que abarca todo el proceso LTS, lo que proporciona apoyo teórico y técnico para la industrialización de las celdas solares CZTSSe», afirmó el equipo de investigación.
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