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De los distintos tipos de células solares de lámina delgada, las basadas en kesterita destacan por estar constituidas por elementos abundantes en la corteza terrestre, no tóxicos y estables, frente a otras tecnologías como las basadas en Cu(In,Ga)Se2 y CdTe donde la escasez de In, Ga , Te y la toxicidad de Cd lleva a la búsqueda de nuevos materiales.
La kesterita es un material semiconductor que tiene una estructura cristalina única y posee propiedades ópticas y electrónicas adecuadas para la conversión de energía solar. Se compone de elementos como cobre (Cu), zinc (Zn), estaño (Sn) y azufre (S). La composición de la kesterita puede variar ligeramente, y a veces se incluye selenio (Se) en lugar de azufre (S), lo que se refleja en la designación genérica CZTSSe.
Sin embargo, hasta ahora las células basadas en materiales tipo kesterita, Cu2ZnSn(S,Se)4 (CZTSSe), han mostrado bajos rendimientos en comparación con otras tecnologías más maduras, con déficit de tensión de circuito abierto (VOC), que es una medida del potencial eléctrico que es capaz de generar la célula y demuestra su capacidad de generar energía eléctrica. Por eso, la fabricación de células solares de kesterita versátiles y de alta eficiencia es un desafío, siendo particularmente difícil conseguir una alta transparencia.
El equipo investigador ha integrado láminas de kesterita de banda ancha mediante la sustitución de Sn por Ge en la red cristalina, Cu2ZnGe(S,Se)4 (CZGSSe), en células solares utilizando electrodos transparentes, obteniendo hasta la fecha las eficiencias más altas jamás publicadas para dispositivos fotovoltaicos semitransparentes basados en este compuesto con tan alto Eg, que han llegado al 3,1% y 2,7% para valores de banda prohibida de Eg = 1,73 y 1,86 eV, respectivamente.
“Este estudio es especialmente interesante porque muestra la posibilidad de fabricar dispositivos fotovoltaicos semitransparentes basados en materiales sostenibles y estables como la kesterita. El gran reto ha sido conjugar los parámetros de eficiencia y transparencia. Para ello ha sido preciso controlar el proceso de sulfurización desarrollando el gradiente S/Se apropiado para optimizar la interfase posterior de la célula solar y evitar la formación de fases secundarias perjudiciales para el dispositivo fotovoltaico” explica Raquel Caballero, investigadora principal del artículo.
Este trabajo además ha cubierto la escasez de información del estudio de la transparencia de las láminas delgadas de kesterita para dispositivos fotovoltaicos que es un parámetro esencial a la hora de diseñar y fabricar células solares semitransparentes, explica Rosalía Serna, profesora de investigación del grupo de Procesado láser del IO-CSIC.
Este es un trabajo de investigación en colaboración con el Departamento de Física Aplicada de la Universidad Autónoma de Madrid, el IREC – Instituto Catalán de Investigación Energética, el instituto alemán PVcomB-HZB en Berlín, el Departamento de Ingeniería Electrónica de la Universidad Politécnica de Cataluña, el Instituto de Óptica “Daza de Valdés” y el Departamento de Ingeniería Electrónica y Biomédica de la Universidad de Barcelona.

Artículo: Andrea Ruiz-Perona, David Palma-Lafuente, Yudania Sánchez, Maxim Guc, Tim Kodalle, Mohamed Ould Salem, Marcel Placidi, Rosalia Serna, Alejandro Pérez-Rodríguez, José Manuel Merino y Raquel Caballero
Semitransparent Wide Bandgap Cu2ZnGe(S,Se)4 Thin-Film Solar Cells: Role of the Sulfurization Process
https://doi.org/10.1002/solr.202300947

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Rosalía Serna: rosalia.serna@csic.es

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