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¿Qué son las células solares de película delgada?

Las celdas solares de película delgada son una segunda generación de células solares. Estas celdas se construyen mediante el depósito de una o más capas con espesores nanométricos sobre un sustrato, como vidrio, plástico o metal.

Esto permite que las células de película delgada sean flexibles, de menor peso y más baratas que las normales.
Actualmente se utilizan en la construcción de sistemas de energía fotovoltaica integrados en objetos o como material de acristalamiento fotovoltaico semitransparente que se puede colocar en ventanas.

Investigaciones recientes en estos compuestos para mejorar sus propiedades eléctricas han conducido a la aleación de Cu₂ZnSnSe₄ con Cu₂ZnGeSe₄, las cuales han llegado hasta eficiencias de conversión de las células solares de un 13% (esta eficiencia con otros compuestos puede llegar al 20%).

Utilizando el Silicio

Sin embargo, utilizar el silicio (Si)sustituyendo al estaño (Sn) en estos compuestos puede ser una estrategia interesante para mejorarlos sería más interesante debido a que es mucho más abundante.

El estudio

En este contexto el equipo investigador formado por el Institute of Applied Physics de la Academy of Sciences of Moldova, Felix Bloch Institute for Solid State Physics de la Universitӓt Leipzig, el Laser Processing Group del Instituto de Óptica y el departamento de Física Aplicada de la Universidad Autónoma de Madrid ha realizado el proceso de síntesis y determinación de las propiedades dieléctricas de soluciones sólidas de una mezcla de 40 al 80% de Cu₂ZnGeSe₄ y 60 al 20% de Cu₂ZnSiSe₄, con el objetivo de lograr una banda prohibida adecuada (la eficiencia de una célula solar es mejor cuando la energía de la luz incidente se sitúa ligeramente por encima de la denominada energía de banda prohibida del material de la célula solar).

En el estudio se encontró que la aleación al 25% de Si y 75% de Ge tiene una banda prohibida óptima y buenas propiedades estructurales.

Gracias a este estudio además se ha descubierto que la banda prohibida varía de forma no lineal en la composición de las aleaciones y se obtienen valores de banda prohibida de hasta 1,87 eV.
Estos resultados son esenciales para el diseño de nuevas células solares fotovoltaicas eficientes y muestran el alto potencial de los compuestos de kesterita para el desarrollo de futuras células solares sostenibles de bajo coste.

La banda prohibida es la energía que necesita un material semiconductor para liberar uno de sus electrones y que pase a la banda de conducción eléctrica

¿Cómo se han generado estas aleaciones?

El proceso de fabricación de esta nueva aleación para poder estudiarla es complejo.
Para ello se prepararon soluciones sólidas del material en una ampolla de cuarzo al vacío sellada y cubierta por dentro con grafito. Para el cultivo se utilizó un horno vertical con un aumento gradual de temperatura de 15 °C por cada cm a lo largo del eje del horno. El procedimiento de síntesis incluyó un calentamiento a 1100 °C, manteniendo esta temperatura durante 10 a 12 h y con un enfriamiento posterior lento (10 °C cada hora). Los lingotes preparados de esta forma se expusieron a un recocido de larga duración (2 meses) a 600 °C para su homogeneización. A continuación, los lingotes se cortaron en discos que se pulieron de forma especial para conseguir una superficie óptica limpia y adecuada en la que se minimizan los defectos en la superficie de las muestras.