Un modelo matemático sugiere que el uso de dos películas delgadas de diferentes materiales puede ser el camino a seguir para crear células solares de película fina asequibles con un 34% de eficiencia.
Estas células solares económicas de segunda generación todavía están muy por detrás de las células solares cristalinas más caras en eficiencia.
Akhlesh Lakhtakia, profesor de ingeniería y mecánica en la Universidad de Penn State, ha descubierto que los investigadores se acercaban a las células solares desde dos lados, el lado óptico, observando cómo se recolecta la luz del sol, y el lado eléctrico, observando cómo la luz solar recolectada se convierte en electricidad. Los investigadores ópticos se esfuerzan por optimizar la captura de luz, mientras que los investigadores eléctricos se esfuerzan por optimizar la conversión a electricidad, simplificando ambos lados al otro.
«Decidí crear un modelo en el que los aspectos eléctricos y ópticos se tratarán por igual», dijo Lakhtakia. «Necesitábamos aumentar la eficiencia real, porque si la eficiencia de una celda es inferior al 30%, no supondrá ninguna diferencia». Informa de sus resultados en una edición reciente de Applied Physics Letters.
Lakhtakia es un teórico. No hace películas delgadas en un laboratorio, sino que crea modelos matemáticos para probar las posibilidades de configuraciones y materiales para que otros puedan probar los resultados. El problema, dijo, era que la estructura matemática para optimizar la óptica y la eléctrica son muy diferentes.
Las células solares parecen ser dispositivos simples, explicó. Una capa superior transparente permite que la luz solar caiga sobre una capa de conversión de energía. El material elegido para convertir la energía absorbe la luz y produce corrientes de electrones cargados negativamente y agujeros cargados positivamente que se mueven en direcciones opuestas.
Las partículas con cargas diferentes se transfieren a una capa de contacto superior y una capa de contacto inferior que canalizan la electricidad fuera de la celda para su uso. La cantidad de energía que puede producir una célula depende de la cantidad de luz solar recogida y de la capacidad de la capa de conversión. Diferentes materiales reaccionan y convierten diferentes longitudes de onda de luz.
«Me di cuenta de que para aumentar la eficiencia teníamos que absorber más luz», dijo Lakhtakia. «Para hacer eso, tuvimos que hacer que la capa absorbente no fuera homogénea de una manera especial».
Esa forma especial fue usar dos materiales absorbentes diferentes en dos películas delgadas diferentes. Los investigadores eligieron CIGS (diselenuro de cobre, indio, galio) y CZTSSe (seleniuro de cobre, zinc, estaño y azufre) para las capas. Por sí misma, la eficiencia de CIGS es de aproximadamente el 20% y la de CZTSSe es de aproximadamente el 11%.
Estos dos materiales funcionan en una célula solar porque la estructura de ambos materiales es la misma. Tienen aproximadamente la misma estructura de celosía, por lo que se pueden cultivar uno encima del otro, y absorben diferentes frecuencias del espectro, por lo que deberían aumentar la eficiencia, según Lakhtakia.
«Fue increíble», dijo Lakhtakia. «Juntos produjeron una célula solar con una eficiencia del 34%. Esto crea una nueva arquitectura de células solares, capa tras capa. Otros que pueden fabricar células solares pueden encontrar otras formulaciones de capas y tal vez hacerlo mejor».
Según los investigadores, el siguiente paso es crearlas de forma experimental y ver cuáles son las opciones para obtener las mejores respuestas finales.
