En el campo de las tecnologías fotovoltaicas, las células solares basadas en silicio representan el 90% del mercado. En términos de coste, estabilidad y eficiencia (20-22% para una célula solar típica del mercado), están muy por delante de otras tecnologías. Sin embargo, después de décadas de investigación e inversión, las células solares basadas en silicio están ahora cerca de su máxima eficiencia teórica. Como resultado, se requieren nuevos conceptos para lograr una reducción a largo plazo de los precios de la electricidad solar y permitir que la tecnología fotovoltaica se convierta en una forma más ampliamente adoptada para la generación de energía.

Una de las soluciones que más atención está acaparando es el desarrollo de células solares en tándem de perovskita/silicio ya que podría aumentar la eficiencia de conversión de energía a costes razonables, a la vez que son compatibles con la tecnología existente. Varias investigaciones recientes han conseguido desarrollar células solares hechas en tándem por un compuesto de perovskita de haluro metálico y silicio que llegan a eficiencias récord de 25,2% y con previsiones de llegar a eficiencias del 32,5%.

Perovskitas sobre silicio

Las propiedades únicas de la perovskita han provocado una gran cantidad de investigaciones sobre su uso en células solares en los últimos años. En el espacio de nueve años, la eficiencia de estas células ha aumentado en un factor de seis. La perovskita permite lograr una alta eficiencia de conversión a un coste de producción potencialmente limitado.

En las células tándem, la perovskita complementa al silicio: convierte la luz azul y verde de manera más eficiente, mientras que el silicio es mejor para convertir la luz roja e infrarroja. Si se combinan ambos materiales se puede maximizar el uso del espectro solar y aumentar así la cantidad de energía generada.

Sin embargo, crear una estructura en tándem efectiva mediante la superposición de los dos materiales no es una tarea fácil. Para optimizar la captación de luz, normalmente la superficie de silicio está formado por micro texturas, una serie de pirámides que miden alrededor de 5 micrones, que atrapan la luz y evitan que se refleja. Sin embargo, la textura de la superficie hace que sea difícil depositar una película homogénea de perovskita. La capas de perovskita normalmente se depositan en forma líquida mediante un proceso de solución formando capas extremadamente delgadas, acumulandose por tanto en los valles entre las pirámides y dejando los picos sin cubrir, lo que lleva a cortocircuitos.

Recientemente varias investigaciones han logrado solucionar este importante inconveniente, logrando desarrollar células solares tándem de perovskita con eficiencias superiores al 25%.

Integración de células de perovskita sobre una célula estándar de silicio

Científicos de Escuela Politécnica Federal de Lausana (EPFL) y el Centro Suizo de Electrónica y Microtecnología (CSEM) han solucionado este problema utilizando métodos de evaporación para formar una capa de base inorgánica que cubre completamente las pirámides. Esa capa es porosa, lo que le permite retener la solución orgánica líquida que luego se agrega mediante una técnica de deposición de película delgada llamada recubrimiento por rotación. Posteriormente, los investigadores calientan el sustrato a una temperatura relativamente baja de 150 ° C para cristalizar una película homogénea de perovskita en la parte superior de las pirámides de silicio.

El resultado el la integración de una células de perovskita directamente sobre una célula estándar basada en silicio, obteniendo una eficiencia récord de 25,2%.

“Estamos proponiendo utilizar equipos que ya están en uso, solo agregando algunas etapas específicas. Los fabricantes no adaptaran una tecnología solar completamente nueva, sino que simplemente actualizarían las líneas de producción que ya están utilizando para células basadas en silicio”, declaró Christophe Ballif, jefe del Laboratorio de Energía Fotovoltaica de EPFL y del Centro de Fotovoltaica en el CSEM.

Nuevos record en células solares tándem de perovskita a través de un mejor manejo de la luz

Un equipo encabezado por el físico Steve Albretcht del HZB (Centro Helmholtz Berlín para materiales y energía) ha investigado un nuevo enfoque para el manejo de la luz con texturas en células solares tándem. Los investigadores fabricaron un eficiente dispositivo de perovskita/silicio cuya capa de silicio estaba grabada en la parte posterior. Así, la capa de perovskita se puede aplicar mediante un proceso de revestimiento por rotación sobre la parte frontal lisa de la capa del sustrato de silicio. Posteriormente, el equipo aplicó una lámina de polímero para el manejo de luz (LM) en el frontal del dispositivo. Esto permitió el procesamiento de una película de perovskita de alta calidad sobre una superficie plana, a la vez que se podían aprovechar las ventajas de la capa grabada con micro texturas en el silico. “De esta manera, logramos mejorar considerablemente la eficiencia de una célula tándem de perovskita/silico del 23,4% al 25,5%”, declaró, Marco Jošt, primer autor del estudio y becario postdoctoral en el equipo de Albrecht.

Además, Jošt y sus colegas han desarrollado un sofisitcado modelo numérico para funciones 3D complejas y su interacción con la luz. Esto permitió el equipo calcular cómo los diferentes diseños de dispositivos con texturas en varias interfaces afectan a la eficiencia. “Sobre la base de estas complejas simulaciones y datos empíricos, creemos que se puede lograr de manera realista una eficiencia del 32,5%, si logramos incorporar perovskitas de alta calidad con intervalo de banda de 1,66 eV”, explica Jošt.

La simulaciones han demostrado que la lámina LM en el lado frontal de la célula solar es especialmente ventajosa bajo situaciones de irradiación de luz difusa, es decir, no sólo bajo luz que incide perpendicularmente. Por lo tanto, las células solares en tándem con la nueva lámina de LM también podrían ser adecuadas para la incorporación en sistemas fotovoltaicos integrados en edificios), abriendo áreas nuevas para la generación de energía desde grandes fachadas de rascacielos.