Superan la barrera del 30% de eficiencia para las células en tándem de perovskita-silicio

Por primera vez, se ha superado una eficiencia del 30 % para las células solares en tándem de perovskita sobre silicio gracias a un esfuerzo conjunto dirigido por científicos del Laboratorio de Electrónica de Película Delgada y Fotovoltaica de la EPFL en asociación con el renombrado centro de innovación CSEM.

Certificados de forma independiente por el Laboratorio Nacional de Energía Renovable (NREL) de los Estados Unidos, estos resultados son un impulso para la energía fotovoltaica de alta eficiencia y allanan el camino hacia una generación de electricidad solar aún más competitiva.

El aumento de la eficiencia de conversión de energía de las células solares es importante por dos razones. A la larga, es la forma más efectiva de reducir el costo nivelado de la electricidad. A corto plazo, es la mejor manera de promover la energía fotovoltaica para aplicaciones donde el espacio es limitado, por ejemplo, techos, fachadas, vehículos o incluso drones.

Sin embargo, todas las células solares están fundamentalmente limitadas por los materiales de los que están hechas, lo que a su vez afecta la eficiencia que pueden lograr. Las tecnologías de celdas solares más adoptadas hasta la fecha están hechas con silicio.

Pero a pesar del éxito del silicio, tiene un límite de eficiencia teórico de alrededor del 29%. Las eficiencias actuales de esta tecnología están ligeramente por debajo del 27 %, lo que deja un margen muy pequeño para futuras ganancias de eficiencia.

En la carrera innovadora para superar esta limitación, los científicos han agregado una (o más) celdas solares complementarias al silicio para formar celdas solares "en tándem". La luz solar visible de mayor energía se absorbe en la celda superior, mientras que la luz infrarroja de menor energía se absorbe en la celda de silicio situada en la parte trasera del tándem.

Las perovskitas de haluro se han identificado como un socio ideal para el silicio, ya que pueden convertir la luz visible en energía eléctrica de manera más eficiente en comparación con el silicio solo, sin aumentar demasiado los costos de fabricación.

Doble récord mundial de éxito

Hemos superado una barrera psicológica”, dice Christophe Ballif, Director del Laboratorio Fotovoltaico de la EPFL y del Centro de Energía Sostenible del CSEM.

“Hemos validado experimentalmente el potencial de alta eficiencia de los tándems de perovskita sobre silicio. La marca de eficiencia del 30 % ya se había alcanzado con otros tipos de materiales, a saber, los semiconductores III-V. Sin embargo, estos materiales y los procesos utilizados para fabricarlos son demasiado caros para sostener la transición energética: estos dispositivos son mil veces más caros que las células solares de silicio. Nuestros resultados son los primeros en mostrar que la barrera del 30 % se puede superar utilizando materiales y procesos de bajo costo, lo que debería abrir nuevas perspectivas para el futuro de la energía fotovoltaica”, se entusiasma Ballif.

Los investigadores de Neuchâtel han logrado mejorar la eficiencia de dos tipos de tándems de perovskita sobre silicio. En primer lugar, adaptaron materiales y técnicas de fabricación para depositar capas de perovskita de alta calidad a partir de una solución sobre una superficie de silicio plana, alcanzando una eficiencia de conversión de energía del 30,93 % para una célula solar de 1 cm ^2 . ^

En segundo lugar, al trabajar en una nueva versión de una técnica de procesamiento híbrida de vapor/solución compatible con superficies de silicio texturizado, han producido una célula solar con una eficiencia de conversión de energía del 31,25 % (nuevamente en 1 cm ^2^ ). E

stos resultados constituyen  **dos **nuevos récords mundiales: uno para el plano y otro para la arquitectura de dispositivos texturizados. El último enfoque proporciona una corriente más alta y es compatible con la estructura de las células solares de silicio industriales actuales.

El récord anterior de conversión de eficiencia para las células solares en tándem de perovskita sobre silicio lo estableció en 2021 un equipo del Helmholtz Zentrum Berlin, que logró un 29,8 %. Los nuevos registros de EPFL y CSEM fueron certificados de forma independiente por el Laboratorio Nacional de Energía Renovable (NREL) de los Estados Unidos.

Futuro brillante por delante

_“Estos resultados de alta eficiencia ahora requerirán más investigación y desarrollo para permitir su escalamiento a áreas de superficie más grandes y garantizar que estas nuevas celdas puedan mantener una salida de energía estable en nuestros techos y en otros lugares durante una vida útil estándar”, _ señala Quentin Jeangros de CSEM.

“Se ha dicho que las tecnologías en tándem de perovskita sobre silicio tienen el potencial de superar el punto de referencia de eficiencia del 30%, pero esta es la primera vez que se demuestra este potencial pronosticado desde hace mucho tiempo, lo que debería allanar el camino para una electricidad sostenible aún más barata en el futuro”, concluye Christian Wolff de EPFL.

Esta investigación fue impulsada por el equipo del laboratorio fotovoltaico de la EPFL en Neuchâtel (Dr. Xin Yu Chin, Deniz Türkay, Kerem Artuk, Dr. Mathieu Boccard y colegas del equipo de Tandem Photovoltaics dirigido por el Dr. Christian Wolff), trabajando en asociación con científicos del CSEM (Dr. Brett Kamino, Dr. Florent Sahli, Dr. Soo-Jin Moon, Arnaud Walter y colegas, dirigidos por el Dr. Quentin Jeangros).

Ha recibido financiación de la Oficina Federal de Energía de Suiza, la Fundación Nacional de Ciencias de Suiza , la Comisión Europea , Services Industriels de Genève y la Iniciativa de Fabricación Avanzada del dominio ETH .