El silicio domina el panorama de la energía solar, pero no es el mejor material para fabricar células solares finas y ligeras, necesarias para satélites y drones. Los materiales semiconductores atómicamente finos, como el diselenuro de tungsteno y el disulfuro de molibdeno, que ya se están considerando para la electrónica de próxima generación, son prometedores para las células solares ultrafinas de bajo coste que también pueden ser flexibles. Y ahora, los ingenieros han fabricado células solares de diselenuro de tungsteno con una relación potencia-peso equivalente a la de las tecnologías de células solares de capa fina.
Las células solares flexibles que se publican en la revista Nature Communications tienen una eficiencia de conversión de luz en electricidad del 5,1%, la más alta registrada para células flexibles de este tipo. Su potencia específica es de 4,4 W/g, comparable a la de las células solares de película fina, como las fabricadas con telururo de cadmio, seleniuro de cobre, indio y galio, silicio amorfo y semiconductores III-V. Con más ingeniería para reducir el grosor del sustrato y aumentar la eficiencia, la tecnología tiene el potencial de llegar a los 46 W/g, "mucho más de lo que se ha demostrado para otras tecnologías fotovoltaicas", dice Koosha Nassiri Nazif, ingeniero eléctrico de la Universidad de Stanford que dirigió el trabajo con su colega Alwin Daus.
Es mil veces más fino que el silicio, pero con la misma absorción que una oblea de silicio estándar.
La eficiencia del silicio es difícil de superar por su coste, y los costes de los paneles solares de silicio han ido bajando cada año. Pero "el silicio es bastante subóptimo para las aplicaciones emergentes", afirma Nassiri Nazif. Entre esas aplicaciones se encuentran la electrónica vestible y conformable, las ventanas inteligentes y otros usos arquitectónicos, los vehículos aéreos no tripulados y los vehículos eléctricos. "Otra aplicación importante es el Internet de las Cosas", dice, "donde se puede prolongar la duración de la batería o eliminar por completo la necesidad de baterías para alimentar pequeños sensores y dispositivos". La alta potencia específica es fundamental para esos usos, dice. Las tecnologías actuales de capa fina y las nuevas células solares de perovskita tienen una potencia específica superior a la del silicio, y las perovskitas ostentan el récord con 29 W/g.
Pero el diselenuro de tungsteno y el disulfuro de molibdeno, que pertenecen a una clase de materiales conocidos como dicalcogenuros de metales de transición (TMD), tienen ventajas sobre otros materiales. Son más ligeros que las células de CdTe o CIGS de capa fina que se utilizan ahora en el sector aeroespacial. También son más estables que las perovskitas y los materiales fotovoltaicos orgánicos, y son más respetuosos con el medio ambiente que las perovskitas que contienen plomo.
Además, los materiales TMD presentan una de las mayores capacidades de absorción de luz de todos los materiales fotovoltaicos. "Se puede tener una capa ultrafina mil veces más fina que el silicio y seguir teniendo la misma absorción con un diseño óptico adecuado", afirma Nassiri Nazif.
Sin embargo, las mejores células solares de TMD hasta ahora han tenido una eficiencia inferior al 3%, y menos del 0,7% cuando se fabrican en un sustrato ligero y flexible. Sin embargo, la eficiencia teórica de los materiales es del 27%. Daus dice que simplemente son más recientes y necesitan más ingeniería pesada para mejorar la eficiencia. Todos los materiales fotovoltaicos se enfrentan a problemas de extracción de carga. Es decir, una vez que el material absorbe un fotón y produce electrones y huecos, esos portadores de carga tienen que ser extraídos rápidamente antes de que puedan recombinarse.
El truco consiste en encontrar el material de contacto adecuado para transportar los portadores de carga del semiconductor a los electrodos. Para ello, los investigadores eligieron una lámina de grafeno transparente. Luego la recubrieron con una capa de óxido de molibdeno, que también es transparente y mejora la capacidad del grafeno para extraer portadores de carga, explica Daus.
Otro avance clave que les permite fabricar células solares flexibles de alta calidad es el método de transferencia que han desarrollado, añade. Primero depositan escamas de diselenuro de tungsteno en un sustrato de silicio, depositan electrodos de oro sobre él y luego lo recubren con un fino sustrato de plástico flexible. A continuación, ponen todo el conjunto en un baño de agua para despegar suavemente la estructura flexible del silicio. Por último, le dan la vuelta a la estructura para que el diselenuro de tungsteno quede encima y la recubren con grafeno y óxido de molibdeno. Al final, todo el dispositivo sólo tiene 350 nm de grosor.
Las células solares son diminutas en este momento, señala Nassiri Nazif, de unos 100 x 100 µm. "Para llegar al punto en que se pueda comercializar, necesitamos dispositivos de al menos 1 x 1 cm", dice. "La buena noticia es que ya se ha demostrado el crecimiento de TMD de gran superficie y alta calidad".
Pero la mayoría de los esfuerzos se han centrado en fabricar materiales TMD monocapa para la electrónica, dice Daus, mientras que para las células solares se necesitan películas más gruesas de 100-200 nm. El equipo de Stanford ya ha empezado a fabricar películas de TMD de 2 x 2 cm, pero hasta ahora las películas más gruesas no han alcanzado la misma calidad que las escamas más pequeñas que utilizaron en el artículo
Esperan que este trabajo inspire más investigaciones en el ámbito de las células solares de TMD. "Nuestro objetivo es sentar las bases de las aplicaciones fotovoltaicas de los TMD", afirma Nassiri Nazif. "Estos materiales tienen una ventaja fundamental sobre otras tecnologías. Si resolvemos los problemas de ingeniería, podría ser el material elegido para la tecnología fotovoltaica de próxima generación."
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