Investigadores de España y Alemania diseñan un sistema de fabricación escalable de celdas solares de alto rendimiento

Un equipo investigador del Instituto de Ciencia Molecular de la Universidad de Valencia y del Instituto de Tecnología de Karlsruhe en Alemania ha desarrollado un proceso de fabricación en vacío sin disolventes que permite depositar capas de perovskita de manera uniforme incluso sobre superficies de silicio texturizadas a alta velocidad, lo cual ofrece la posibilidad de producir celdas solares a escala industrial.

Las celdas solares tándem de perovskita-silicio combinan dos semiconductores que absorben distintas regiones de la luz solar. La capa superior de perovskita absorbe principalmente la luz azul de alta energía, es decir, de longitud de onda corta, mientras que la celda de silicio situada debajo utiliza, sobre todo, las fracciones de longitud de onda más larga. Su combinación, por tanto, permite convertir más energía de la luz solar en electricidad que las celdas convencionales compuestas únicamente por silicio.

Sin embargo, uno de los principales retos de esta nueva tecnología consiste en depositar la capa de perovskita "de forma reproducible, uniforme y rápida", algo que ahora sería factible. "Hemos podido demostrar que un proceso de vacío especialmente rápido no solo genera capas uniformes, sino que también permite obtener celdas solares tándem de perovskita-silicio eficientes", ha detallado el profesor alemán Ulrich Paetzold.

El proceso en vacío a alta velocidad se basa en la sublimación a espacio cercano, conocida como CSS por sus siglas en inglés (Close-Space Sublimation). En este proceso, los materiales de partida se "subliman" y llegan hasta la celda de silicio, situada a solo unos milímetros de la fuente del material, donde reaccionan directamente para formar una capa de perovskita. Además, a la vista del bajo consumo de materia prima por cada conversión, se puede utilizar la misma fuente de material para un gran número de deposiciones.

"Con esta técnica somos capaces de depositar materiales orgánicos a alta velocidad y sin disolventes, algo difícil de conseguir con métodos convencionales debido a la inestabilidad de estos materiales a altas temperaturas. Al reducir la distancia entre el material de partida y el sustrato, no solo se puede realizar la sublimación a temperaturas más bajas, sino que la deposición se produce mucho más rápido", ha subrayado la española Sofía Chozas-Barrientos, quien ha añadido que lograron realizar la conversión en "solo diez minutos".

La banda prohibida

Además de un recubrimiento uniforme, la capa superior de perovskita debe absorber también las fracciones adecuadas de luz. Esta propiedad se controla mediante la banda prohibida del material: la subcelda superior de perovskita debe tener una banda más elevada para absorber los fotones de mayor energía y dejar pasar el resto de la luz hacia la subcelda de silicio, logrando así un acoplamiento eficiente entre ambas.

Dado que el bromo puede aumentar la banda prohibida, el equipo investigador probó inicialmente una capa precursora inorgánica que contenía bromo. Sin embargo, durante la conversión a perovskita mediante CSS, la proporción deseada no se mantuvo en el material, de modo que los investigadores optaron por "utilizar una fuente orgánica mixta compuesta por yoduro de metilamonio y bromuro de metilamonio". "Mediante la proporción entre ambos componentes pudimos controlar el contenido de bromo en el material final y alcanzar una banda prohibida de 1,64 electronvoltios", ha añadido Alexander Diercks, otro de los coautores del estudio.

Distintas superficies

Para una fabricación industrial, el proceso CSS debe ser compatible con distintos tipos de superficies de silicio, incluidas las texturizadas, habituales en el silicio industrial y comercial.

Por ello, el equipo científico probó el proceso CSS sobre celdas de silicio con superficies planas y nanotexturizadas, más habituales en estudios a pequeña escala en el laboratorio, y microtexturizadas, más representativas del silicio industrial. En las tres superficies se formaron capas de perovskita con propiedades casi idénticas, sin necesidad de ajustar los parámetros del proceso.

"Esto es muy importante para la escalabilidad", ha indicado el catedrático de la Universidad de Valencia Hendrik Bolink. "Un proceso que solo funcionara sobre superficies perfectamente lisas tendría una utilidad limitada para aplicaciones industriales. El hecho de que la sublimación en espacio cercano genere capas uniformes también sobre celdas de silicio texturizadas hace que este enfoque sea relevante para la industria", ha destacado sobre un estudio en el que también participaron el CONICET-UNL, de Argentina, y la Université Grenoble Alpes/CEA-LITEN, en Francia.