La eficiencia de las células solares de película delgada basadas en semiconductores de cobre, indio, galio y selenio (CIGS) ha mejorado a más del 23% en los últimos años, gracias a la investigación en curso. Pero un equipo de investigadores del Centro de Investigación de Energía Solar e Hidrógeno de Baden-Württemberg (ZSW), la Universidad Martin Luther Halle-Wittenberg (MLU) y Helmholtz-Zentrum Berlin (HZB) han visto potencial para mayores ganancias de eficiencia y han descrito sus hallazgos, basados en la investigación del proyecto conjunto EFFCIS, que finalizó este año, en un artículo publicado recientemente en Nature Communications .
Los investigadores afirmaron que es posible una eficiencia teórica de alrededor del 33% para las células solares de película delgada CIGS. La discrepancia surge de los mecanismos de pérdida en la celda solar CIGS, que pueden ocurrir en las capas funcionales, pero también en varias de las interfaces de la celda. Hasta ahora, esto solo se había sospechado y ha habido mucha discusión sobre dónde y por qué ocurren estas pérdidas. El equipo de investigación alemán afirma que ha podido localizarlos.
“Algunas de las pérdidas ocurren en los límites entre los cristales CIGS individuales de la celda solar”, dijo el gerente de proyecto Wolfram Witte de ZSW. “En estos llamados límites de granos, una cierta proporción de los cuales también son eléctricamente activos, las cargas eléctricas positivas y negativas pueden neutralizarse entre sí” (ver imagen a la izquierda).
Para identificar el mecanismo de pérdida, los investigadores combinaron un método de medición experimental con simulaciones por ordenador. Para ello, HZB analizó una célula solar CIGS de alta eficiencia utilizando varios procesos de microscopía electrónica y métodos de medición optoelectrónicos. Su objetivo era proporcionar al equipo los valores más realistas posibles para su simulación de componentes bidimensionales.
La ZSW produjo la célula solar CIGS mediante el proceso de coevaporación, en el que los elementos cobre, indio, galio y selenio se depositan al mismo tiempo en el vacío. Sin una capa antirreflectante adicional, la celda alcanzó una eficiencia del 21%. La microestructura real de la celda se utilizó con los valores obtenidos experimentalmente de los diversos métodos de análisis como parámetros de entrada para la simulación bidimensional, dijeron los investigadores.
El análisis mostró que el aumento de la recombinación en los límites de granos eléctricamente activos dentro de la capa CIGS contribuye a pérdidas significativas. Esto empeora el voltaje de circuito abierto y el factor de llenado, reduciendo así la eficiencia de la celda solar.
“Para mejorar aún más la eficiencia de las células y módulos solares de película delgada CIGS en el futuro, la densidad de los límites de granos eléctricamente activos debe reducirse y deben producirse capas CIGS con granos más grandes”, explicó Witte.
Esto es técnicamente posible mediante aditivos adicionales en la capa CIGS, la adaptación del material del sustrato o mediante un equilibrio de temperatura optimizado durante el recubrimiento.