Investigadores catalanes obtienen una eficiencia del 16,94% con una célula solar orgánica en tándem de cuatro terminales

Investigadores del Instituto de Ciencias Fotónicas (ICFO) han fabricado una nueva célula solar orgánica de cuatro terminales con configuración en tándem que alcanza una eficiencia de conversión de potencia (PCE) del 16,94%. El nuevo dispositivo está compuesto por una célula frontal muy transparente que incorpora un electrodo transparente ultrafino de plata (Ag) de sólo 7nm, lo que garantiza su funcionamiento eficiente.

Las células solares orgánicas (OSC) en tándem de dos terminales representan uno de los enfoques más prometedores para hacer frente a las pérdidas por transmisión y termalización de las células solares de unión única. Estas células solares orgánicas constan de subcélulas delanteras y traseras con distintos bandgaps, lo que permite una absorción y un aprovechamiento más amplios del espectro solar.

Sin embargo, para lograr un rendimiento óptimo en estas configuraciones es necesario un equilibrio de corriente suficiente entre las dos subcélulas. Además, la fabricación de este tipo de células solares orgánicas en tándem supone un reto, ya que necesitan una capa de interconexión robusta capaz de facilitar una recombinación eficiente de las cargas, manteniendo al mismo tiempo una alta transparencia.

Una estrategia alternativa muy eficiente

La configuración en tándem de cuatro terminales ha surgido como una estrategia alternativa muy eficiente en el diseño de células solares. A diferencia del enfoque de dos terminales, esta configuración presenta conexiones eléctricas separadas para la célula frontal transparente y la célula posterior opaca. Por consiguiente, el problema de la adaptación de la corriente eléctrica ya no es un factor limitante. Esta configuración permite una mayor flexibilidad en la selección de los intervalos de banda de cada célula del tándem, optimizando así la absorción de fotones y mejorando la eficiencia global de la producción de energía solar.

Ahora, en un nuevo estudio publicado en la revista J_ournal Solar RRL,_ los investigadores del ICFO y miembros del equipo del proyecto europeo SOREC2, Francisco Bernal-Texca, y el profesor Jordi Martorell describen la fabricación de una célula solar orgánica en tándem de cuatro terminales que ha alcanzado una eficiencia de conversión de potencia (PCE) del 16,94%. La fabricación de un electrodo de plata transparente ultrafino, un componente esencial para optimizar el rendimiento de la célula solar en tándem, es fundamental para este logro.

Para fabricar el nuevo dispositivo, los investigadores estudiaron primero los materiales orgánicos destinados a la capa fotoactiva de ambas células. Examinaron la eficacia de tres mezclas distintas para la célula frontal, diseñada para captar los fotones de alta energía. Finalmente se eligió la mezcla con mejor rendimiento, denominada PM6:L8-BO. Para la célula opaca posterior, los investigadores decidieron utilizar la mezcla PTB7-Th:O6T-4F, con un bandgap estrecho, lo que la hace más adecuada para absorber la parte infrarroja del espectro (fotones de baja energía).

Resolución inversa

Tras elegir las mezclas, los investigadores utilizaron un método numérico para diseñar la estructura final del OSC tándem. Utilizaron el formalismo matricial combinado con la metodología convencional de resolución inversa de problemas para hallar el rendimiento óptimo y la configuración final del dispositivo solar.

La fabricación de un electrodo de plata transparente ultrafino con un grosor de sólo 7 nm fue el ingrediente clave de la investigación actual. Este elemento se colocó en la parte posterior de la célula frontal, garantizando una buena transmisión de la luz para alimentar la célula posterior. Los electrodos de Ag superiores convencionales utilizados para aplicaciones de células solares transparentes suelen tener un grosor de entre 9 y 15 nm.

Su producción exigió un control meticuloso de las condiciones de laboratorio para garantizar la precisión y la consistencia. A continuación, el electrodo se apiló con tres capas dieléctricas que alternaban trióxido de tungsteno (WO3) y fluoruro de litio (LiF). Esta estructura multicapa fotónica desempeña un papel crucial, ya que se sitúa entre las dos celdas para facilitar una distribución eficaz y uniforme de la luz. "Esta estructura presenta una alta transmisión en el rango de 750-1000 nm y una alta reflectividad en el rango de 500-700 nm", escribieron los investigadores.

"El desarrollo de un electrodo intermedio de plata transparente es crucial para el funcionamiento eficaz de la célula solar. Debe presentar un delicado equilibrio, ser lo suficientemente transparente como para permitir que la luz llegue a la célula posterior y, al mismo tiempo, mantener una alta conductividad eléctrica para garantizar el rendimiento óptimo de la célula frontal", afirma Francisco Bernal, investigador del ICFO y primer autor del estudio. "Ser capaces de fabricar un electrodo de sólo 7nm sin observar pérdidas en las células transparentes delanteras es un avance significativo en el campo de las células transparentes".

Simulador solar

Los investigadores probaron el rendimiento fotovoltaico del dispositivo bajo 1 sol de iluminación con un simulador solar y midieron su eficiencia cuántica. El dispositivo alcanzó una eficiencia de conversión de potencia del 16,94%, que, hasta la fecha, sería la más alta alcanzada por una célula orgánica en tándem de cuatro terminales. Los autores del estudio señalan que el actual récord oficial de eficiencia de los dispositivos orgánicos en tándem es del 14,2% y que el último PCE notificado para tándems orgánicos de cuatro terminales es del 6,5% .

"Nuestra investigación tiene aplicaciones potenciales en células fotoelectroquímicas (PEC), abordando requisitos eléctricos cruciales como proporcionar el voltaje necesario para superar el establecido para impulsar reacciones de división de agua o reducción de CO2 como en el proyecto SOREC2", explica Jordi Martorell, investigador del ICFO y coordinador del proyecto SOREC2. "La metodología para el diseño y la implementación de la estructura en tándem de cuatro terminales podría aplicarse al diseño de nuevos sistemas en los que una distribución adecuada de la luz en los elementos es crucial para el rendimiento de un determinado dispositivo".

En la actualidad, los investigadores dirigen sus esfuerzos a refinar, afinar y mejorar la metodología y el diseño estructural a medida para aplicaciones como los combustibles solares, donde los dispositivos en tándem tienen una gran aplicabilidad. Al optimizar la metodología y las estrategias de diseño, los investigadores pretenden liberar todo el potencial de estos dispositivos para aprovechar la energía solar en procesos de conversión energética diversos y sostenibles, como la conversión y valorización del CO2.

El proyecto SOREC2, financiado por la UE, pretende desarrollar una nueva tecnología para transformar directamente la luz solar y el CO2 en productos químicos de valor añadido que permitan un almacenamiento seguro y eficiente de la energía. El consorcio desarrollará una nueva célula fotoelectroquímica compacta en tándem alimentada por luz solar y un nuevo sistema catalizador híbrido para mejorar la selectividad hacia los productos C2.