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TECNOLOGÍA. Logran un 30% de eficiencia en las células solares de próxima generación

 

La celda del récord mundial (aquí, frente al anillo de almacenamiento de electrones BESSY II) tiene un área de aproximadamente un centímetro cuadrado, un tamaño de laboratorio típico. Fuente: Amran Al-Ashouri / HZB

Tres equipos de HZB liderados por la profesora Christiane Becker, el profesor Bernd Stannowski y el profesor Steve Albrecht han logrado aumentar la eficiencia de las células solares en tándem de silicio perovskita fabricadas completamente en HZB a un nuevo valor récord del 29,80%. El valor ahora ha sido certificado oficialmente y está documentado en los gráficos NREL. Esto pone a su alcance la marca del 30 por ciento.

Los módulos solares actuales están hechos principalmente de silicio y ya se han aprovechado en gran medida las posibilidades de aumentar aún más la eficiencia. Pero desde 2008, la clase de material de las "perovskitas de haluro metálico" se ha convertido en el foco de la investigación: estos compuestos semiconductores convierten la luz solar en energía eléctrica muy bien y aún ofrecen mucho margen de mejora. 

En particular, se pueden combinar con células solares de silicio para formar células solares en tándem que utilizan la luz solar de forma mucho más eficiente.

Una carrera por los récords

En HZB, varios grupos han estado trabajando intensamente desde 2015 tanto en semiconductores de perovskita como en tecnologías de silicio y la combinación de ambos en innovadoras células solares en tándem. En enero de 2020, HZB había alcanzado un récord del 29,15% para una célula solar en tándem de silicio de perovskita y publicó el trabajo en la revista Science

Luego, antes de la Navidad de 2020, la empresa Oxford PV pudo anunciar una eficiencia certificada del 29,52%. Desde entonces, ha comenzado la emocionante carrera por nuevos récords. 

“Una eficiencia del 30% es como un umbral psicológico para esta fascinante nueva tecnología que podría revolucionar la industria fotovoltaica en un futuro próximo”, explica Steve Albrecht, que trabaja en películas delgadas de perovskita en el laboratorio HySPRINT en HZB. Bernd Stannowski, líder del grupo de tecnología de silicio, agrega: “Me gustaría enfatizar particularmente la buena cooperación entre los diferentes grupos e institutos en HZB. Así es como logramos desarrollar estas nuevas células solares en tándem por completo en HZB y una vez más obtener el récord mundial ".

La celda en tándem de silicio perovskita se basa en dos innovaciones: una parte frontal nanotexturizada (izquierda) y una parte posterior con reflector dieléctrico (derecha). Fuente: Alexandros Cruz / HZB

Certificación oficial

La investigación y el desarrollo recientes se centraron en la mejora óptica de la celda inferior de heterounión de silicio. Se agregaron un lado frontal nanotexturizado y un reflector trasero dieléctrico. 

La confirmación oficial de la eficiencia de las nuevas células solares en tándem de silicio perovskita fue certificada de forma independiente con una eficiencia récord mundial del 29,80%" por el  Fraunhofer ISE CalLab.

Silicio nanotexturizado

Para el nuevo trabajo, el equipo investigó cómo las nanoestructuras en diferentes interfaces afectan el rendimiento de una célula solar en tándem, que consiste en una célula solar de perovskita encima de una célula solar de silicio.  

Primero, utilizaron una simulación por computadora para calcular la densidad de fotocorriente en las subcélulas de perovskita y silicio para diferentes geometrías con y sin nanotexturas. 

Luego produjeron células solares en tándem de silicio perovskita con diferentes texturas. Incluso la nanotexturización en un lado mejora la absorción de luz y permite una mayor fotocorriente en comparación con una referencia plana.

Reflector dieléctrico

También se realizaron mejoras en la parte posterior de la celda solar en tándem, que está diseñada para reflejar la luz infrarroja de regreso al absorbedor de silicio. Al usar un reflector dieléctrico, se puede aprovechar esta parte de la luz solar de manera más eficiente, lo que resulta en una fotocorriente más alta.

Los resultados allanan el camino para nuevas mejoras. Las simulaciones sugieren que el rendimiento podría incrementarse aún más nanoestructurando las capas absorbentes en ambos lados. Los investigadores están convencidos de que pronto podría alcanzarse una eficiencia de más del 30%. La carrera está en marcha.

Fuente: “Monolithic perovskite/silicon tandem solar cell with >29% efficiency by enhanced hole extraction” by Amran Al-Ashouri, Eike Köhnen, Bor Li, Artiom Magomedov, Hannes Hempel, Pietro Caprioglio, José A. Márquez, Anna Belen Morales Vilches, Ernestas Kasparavicius, Joel A. Smith, Nga Phung, Dorothee Menzel, Max Grischek, Lukas Kegelmann, Dieter Skroblin, Christian Gollwitzer, Tadas Malinauskas, Marko Jošt, Gašper Matic, Bernd Rech, Rutger Schlatmann, Marko Topic, Lars Korte, Antonio Abate, Bernd Stannowski, Dieter Neher, Martin Stolterfoht, Thomas Unold, Vytautas Getautis and Steve Albrecht, 11 December 2021, ScienceDOI: 10.1126/science.abd4016

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