Las celdas solares han recorrido un largo camino, pero las celdas solares de película delgada y económicas todavía están muy por detrás de las celdas solares cristalinas más caras en eficiencia. Ahora, un equipo de investigadores sugiere que el uso de dos películas delgadas de diferentes materiales puede ser el camino a seguir para crear celdas de película delgada asequibles con una eficiencia de aproximadamente 34%.

"Hace diez años, sabía muy poco sobre las células solares, pero me quedó claro que eran muy importantes", dijo Akhlesh Lakhtakia, profesor de la Universidad Evan Pugh y profesor Charles Godfrey Binder de Ciencias de la Ingeniería y Mecánica, Penn State.

Al investigar el campo, descubrió que los investigadores abordaban las células solares desde dos lados, el lado óptico, que observa cómo se recolecta la luz del sol, y el lado eléctrico, que observa cómo la luz solar recolectada se convierte en electricidad. Los investigadores ópticos se esfuerzan por optimizar la captura de luz, mientras que los investigadores eléctricos se esfuerzan por optimizar la conversión a electricidad, ambos lados se simplifican mutuamente.

“Decidí crear un modelo en el que tanto los aspectos eléctricos como los ópticos se tratarán por igual”, dijo Lakhtakia. “Necesitábamos aumentar la eficiencia real, porque si la eficiencia de una celda es inferior a 30%, no va a marcar la diferencia”. Los investigadores informan de sus resultados en una edición reciente de Applied Physics Letters.

Lakhtakia es un teórico. No fabrica películas delgadas en un laboratorio, sino que crea modelos matemáticos para probar las posibilidades de configuraciones y materiales para que otros puedan probar los resultados. El problema, dijo, era que la estructura matemática de optimización óptica y eléctrica es muy diferente.

Las celdas solares parecen ser dispositivos simples, explicó. Una capa superior transparente permite que la luz del sol caiga sobre una capa de conversión de energía. El material elegido para convertir la energía, absorbe la luz y produce corrientes de electrones con carga negativa y huecos con carga positiva que se mueven en direcciones opuestas.

Las partículas con carga diferente se transfieren a una capa de contacto superior y una capa de contacto inferior que canalizan la electricidad fuera de la celda para su uso. La cantidad de energía que puede producir una célula depende de la cantidad de luz solar recogida y de la capacidad de la capa de conversión. Diferentes materiales reaccionan y convierten diferentes longitudes de onda de luz.

“Me di cuenta de que para aumentar la eficiencia teníamos que absorber más luz”, dijo Lakhtakia. "Para hacer eso, tuvimos que hacer que la capa absorbente no fuera homogénea de una manera especial".

Esa forma especial fue usar dos materiales absorbentes diferentes en dos películas delgadas diferentes. Los investigadores eligieron CIGS (diseleniuro de cobre, indio y galio) y CZTSSe (seleniuro de cobre, zinc, estaño y azufre) para las capas. Por sí mismo, la eficiencia de CIGS es de aproximadamente 20% y la de CZTSSe es de aproximadamente 11%.

Estos dos materiales funcionan en una celda solar porque la estructura de ambos materiales es la misma. Tienen aproximadamente la misma estructura reticular, por lo que pueden crecer uno encima del otro y absorben diferentes frecuencias del espectro, por lo que deberían aumentar la eficiencia, según Lakhtakia.

“Fue increíble”, dijo Lakhtakia. “Juntos produjeron una celda solar con eficiencia 34%. Esto crea una nueva arquitectura de células solares, capa sobre capa. Otros que realmente pueden hacer células solares pueden encontrar otras formulaciones de capas y tal vez hacerlo mejor”.

Según los investigadores, el siguiente paso es crearlos experimentalmente y ver cuáles son las opciones para obtener las mejores respuestas finales.