Las células solares semitransparentes logran un récord de conversión de energía

Estas células pueden utilizarse en ventanas de edificios y células solares en tándem. Las células solares semitransparentes alcanzaron una eficiencia récord del 21,68%, lo que las convierte en las más eficientes del mundo entre las células solares de perovskita que utilizan electrodos transparentes. Además, mostraron una notable durabilidad, con más del 99% de su eficiencia inicial mantenida tras 240 horas de funcionamiento.

Las celulas solares en tándem, son células solares que apilan verticalmente dos células solares con diferentes bandas de absorción de energía para aumentar el aprovechamiento de la luz. Esta tecnología puede superar los límites teóricos de eficiencia de las células solares convencionales de una sola unión.

Las células solares de alta eficiencia son necesarias en un momento en que el mundo trata de reducir gradualmente su dependencia de los combustibles fósiles para satisfacer su demanda energética.

Las células solares convencionales tienen una eficiencia de conversión energética de sólo el 20%, lo que significa que no podemos aprovechar el 80% de la luz incidente en la infraestructura solar existente.

Para mejorar este ratio de conversión energética, los investigadores han estado trabajando con materiales como las perovskitas, que pueden ofrecer altas eficiencias energéticas. Algunos equipos quieren aprovechar más energía solar reutilizando ventanas y fachadas de cristal como paneles solares.

El equipo del Departamento de Investigación Fotovoltaica, junto con el Laboratorio de Inteligencia Artificial y Ciencias Computacionales de la Energía de KIER, han combinado estos dos enfoques para crear una célula de perovskita muy duradera y de gran eficiencia.

Fabricación de células solares semitransparentes

Para fabricar células solares semitransparentes, el equipo decidió sustituir los electrodos metálicos que hacen opacas las células solares convencionales por otros transparentes que dejan pasar la luz a través de ellos. Aunque esto pueda parecer algo sencillo, realizar estos cambios tiene un efecto perjudicial.

Las partículas de alta energía que recibe la célula solar con electrodos transparentes provocan la degradación del rendimiento de la capa de transporte de huecos. Esta capa es crucial en una célula de perovskita, ya que permite la transferencia de los huecos fotogenerados al circuito externo.

Para evitar esta degradación del rendimiento, se utilizó una capa de óxido metálico como amortiguador entre la capa de transporte de huecos y la capa de electrodos transparente, lo que provocó una reducción de la carga que podía transportarse y de la estabilidad del dispositivo.

Con la ayuda del laboratorio de Inteligencia Artificial y Ciencia Computacional de la Energía, el equipo fue capaz de reconocer la causa de la degradación del rendimiento y averiguar cómo podía ayudar el litio a resolver el problema.

Los investigadores utilizaron el análisis electroóptico y la ciencia computacional a nivel atómico para identificar las causas de la reducción de las propiedades de transporte de carga y la estabilidad que se producen durante la fabricación de células solares de perovskita semitransparentes.

Cuando se introducen iones de litio en la capa de transporte de huecos para aumentar su conductividad, también se difunden en la capa de óxido metálico, cambiando así la estructura electrónica de esta última.

Para resolver este problema, el equipo descubrió que la conversión de iones de litio en óxido de litio impedía su difusión en la capa de óxido metálico, haciéndola mucho más estable.

Más allá de identificar la causa, los investigadores resolvieron el problema optimizando el tiempo de oxidación de la capa de transporte de huecos. Descubrieron que convertir los iones de litio en óxido de litio estable (LixOy) mediante una oxidación optimizada mitiga la difusión de los iones de litio, mejorando así la estabilidad del dispositivo.

Este descubrimiento revela que el óxido de litio, antes considerado un simple subproducto de la reacción, puede desempeñar un papel crucial en la mejora de la eficiencia y la estabilidad.

Células solares basadas en perovskita que baten récords

El proceso desarrollado dio lugar a células solares de perovskita semitransparentes con una impresionante eficiencia del 21,68%, la más alta entre todas las células solares de perovskita de electrodo transparente.

Además, esta investigación demostró una impresionante retención de más del 99% de su eficiencia inicial durante 400 horas en almacenamiento oscuro y durante más de 240 horas en condiciones operativas de iluminación continua, lo que pone de manifiesto su extraordinaria eficiencia y estabilidad.

El equipo utilizó su célula solar recién desarrollada como capa superior en células solares en tándem, lo que permite que una célula solar bifacial funcione utilizando la luz de las superficies delantera y trasera.

La eficiencia de conversión de energía de la célula solar se registró en un 31,5% para una célula de cuatro terminales, mientras que fue del 26,4 para una configuración de dos terminales.

El Dr. Ahn SeJin, del Departamento de Investigación Fotovoltaica, líder de la investigación, declaró: «Este estudio representa un avance significativo en el campo al examinar el proceso de degradación que se produce en la interfaz del compuesto orgánico y la capa tampón de óxido metálico, que es exclusivo de las células solares semitransparentes de perovskita».

Y añadió: «Nuestra solución es fácilmente implementable, lo que demuestra un gran potencial para el uso futuro de las tecnologías que hemos desarrollado».