Récord mundial de eficiencia fotovoltaica del 13,2% para una célula solar de kesterita

Investigadores de la Universidad de Nueva Gales del Sur (UNSW) han establecido un nuevo récord para una célula solar de kesterita (CZTS) que podría ser un complemento o sustituto a largo plazo, sostenible y rentable de los paneles basados en silicio.

Investigadores fotovoltaicos de todo el mundo trabajan para encontrar el mejor material que pueda combinarse con las células de silicio tradicionales para formar una célula solar en tándem, que puede aumentar la eficiencia en comparación con la célula solar de una sola unión.

La catedrática Xiaojing Hao y su equipo de la Escuela de Ingeniería Fotovoltaica y Energías Renovables de la UNSW han logrado la mejor eficiencia de la historia, un 13,2%, en células solares de kesterita de alto bandgap mejoradas con hidrógeno.

La kesterita puede crearse artificialmente

La kesterita es un mineral natural, pero también puede crearse artificialmente a bajo coste combinando cobre, zinc, estaño y azufre, que no sólo son muy abundantes, sino que además no son tóxicos.

Los nombres de los componentes explican por qué, en su forma sintetizada, la kesterita se conoce como CZTS. El CZTS es un material prometedor para futuras generaciones de células solares porque es respetuoso con el medio ambiente, su fabricación es rentable y se sabe que mantiene su rendimiento fotovoltaico durante mucho tiempo.

Sin embargo, su eficiencia se ha visto obstaculizada durante mucho tiempo, en gran medida por la cantidad de defectos que se crean en el CZTS durante su producción, y que son difíciles de evitar.

El equipo de la UNSW, que incluye a los doctores Kaiwen Sun y Jialiang Huang, afirma haber contribuido a resolver este problema mediante el recocido, o tratamiento térmico, del dispositivo de célula solar CZTS en una atmósfera que contiene hidrógeno.

La investigación fundamental en la que se basa este récord de eficiencia, que alcanzó por primera vez el 11,4% tras seis años de estancamiento del CZTS, se ha publicado ahora, se abre en una nueva ventana, en la revista Nature Energy.

«En última instancia, lo que queremos es que la electricidad sea más barata y más ecológica», afirma Hao.

Los módulos de silicio casi han alcanzado el límite de su eficiencia teórica, así que lo que intentamos es responder a la pregunta de la industria fotovoltaica sobre cómo será la próxima generación de células».

«Y además, ¿cómo podemos hacer que los paneles solares sean menos costosos de fabricar, y cómo podemos obtener más electricidad por área para que los paneles puedan ser particularmente beneficiosos para aplicaciones fotovoltaicas de área limitada?».

La profesora Hao afirma que su trabajo sobre las células solares de CZTS se ha basado en un enfoque de abajo arriba, según el cual se han tenido en cuenta primero todos los mejores atributos necesarios para tratar de identificar el material perfecto.

La eficiencia fotovoltaica máxima del CZTS se había estancado en el 11% durante los últimos seis años, pero la introducción del hidrógeno por parte de la profesora Hao y su equipo para ayudar a eliminar algunos de los defectos durante la producción promete ahora avances aún mayores.

Control de los defectos que se generan en el proceso

En términos básicos, para crear CZTS se toma cobre, estaño, zinc y azufre y “se cuecen» todos juntos a una temperatura determinada que los convierte en un material que se puede utilizar como semiconductor”, explica. “Lo difícil es controlar los defectos que se introducen durante el proceso. Lo que hemos demostrado en este trabajo es que la introducción de hidrógeno puede reducir el impacto de esos defectos, lo que se conoce como pasivación”.

“Como el hidrógeno modula los defectos del CZTS, aumenta su eficacia a la hora de convertir la luz solar en electricidad”, añade.

El uso de CZTS podría aplicarse mejor en lo que se conoce como células solares en tándem, que combinan dos o más células solares para captar y convertir más espectro solar en electricidad, mejorando la eficiencia global.

La profesora Hao confía en que este nuevo avance acelere las posibilidades de que el CZTS alcance una eficiencia del 15% en el próximo año, y espera su comercialización para 2030.

“Aún queda trabajo por hacer para encontrar formas de reducir aún más los defectos que encontramos en los CZTS, ya sea durante la fabricación o después de ella. Pero sabemos que es un buen material. Cuando consideramos los requisitos desde la base, sabemos que necesitamos algo que sea ampliamente abundante, que sea respetuoso con el medio ambiente, que tenga buenas propiedades optoelectrónicas y que pueda durar mucho tiempo... y el CZTS encaja a la perfección”.

Otras opciones en tándem

La profesora Hao y su equipo de la UNSW también están investigando a fondo otro posible material que podría asociarse con el silicio, la perovskita.

La perovskita es más eficiente (cerca del 27% en ejemplos de pequeña superficie) a la hora de convertir la energía del sol en electricidad, pero también se degrada rápidamente y contiene componentes muy tóxicos que pueden disolverse en el agua, como el plomo. “Cuando se va en la dirección contraria, de arriba abajo, quizá con algo como la perovskita, se puede obtener un rendimiento y una eficiencia realmente altos al principio, pero es mucho menos estable y puede que los paneles sólo duren un año, por lo que no es sostenible”, explica.

“Resolver esos problemas puede llevar mucho tiempo, mientras que con el CZTS, si conseguimos que alcance el 20% de eficiencia, creo que despegará de verdad, porque no hay otras limitaciones, ya que cumple todos los criterios del tipo de material que queremos utilizar”, añade.

Y concluye: “En general, creo que deberíamos estudiar todos los tipos de materiales para la capa superior de las células en tándem. Sólo así podremos maximizar nuestras posibilidades de éxito y acelerar la obtención de tándems altamente eficientes que podamos utilizar en el futuro·».