Sincrotrón ALBA
Un equipo del EPFL y el CSEM ha logrado una eficiencia récord del 30% para las células solares de triple unión, que combinan dos células de perovskita de película fina y una célula de silicio en un solo dispositivo. El objetivo podría hacer avanzar tecnologías solares asequibles de nueva generación para aplicaciones espaciales y terrestres. Los datos recogidos en la línea de luz NCD-SWEET por científicos de ALBA contribuyeron a la investigación.
Un equipo de investigación del Photovoltaics and Thin-Film Electronics Laboratory (PV-Lab) en la EPFL's School of Engineering y el CSEM ha desarrollado una nueva célula solar que combina un excepcional voltaje, una alta eficiencia y una fabricación escalable. El dispositivo de triple unión está compuesto de una celda inferior de silicio, sobre la que se depositan celdas centrales y superiores hechas de semiconductores llamadas perovskitas como películas delgadas. El nuevo dispositivo, según el artículo publicado en Nature, alcanza una eficiencia certificada independientemente del 30,02%, superando el anterior récord certificado del 27,1%.
El primer autor, Kerem Artuk, doctorando del EPFL y actualmente trabajador en el CSEM, declara que "hemos demostrado que la combinación de materiales avanzados e ingeniería óptica puede producir eficiencias y voltajes iguales a las de las células solares utilizadas en aplicaciones espaciales, pero potencialmente a una fracción de su coste."
"Lo demostramos con diseño y procesamiento inteligentes. Podemos aproximarnos a los niveles de rendimiento tradicionalmente reservados para las células solares multiunión III-V más caras que se utilizan en el espacio, que están compuestas por múltiples capas semiconductoras. Éstas pueden alcanzar una eficiencia de hasta el 37% y cuestan unas 1.000 veces más que las células terrestres por vatio. Nuestro enfoque abre la puerta a una nueva generación de sistemas fotovoltaicos multiunión industrialmente viables y de alta eficiencia."
"Nuestra primera prueba en 2018 sólo tenía una eficiencia del 13%. Llegar ahora a una eficiencia superior al 30% en un dispositivo de triple unión es un hito remarcable", añade Christophe Ballif, jefe del PV-Lab. "Las células solares de triple unión tienen un potencial de eficiencia aún mayor en comparación con las de unión única y las de tándem, muy por encima del 40%".
Una arquitectura que rompe barreras
El equipo ha abordado dos limitaciones de las células solares de triple unión: la baja tensión en la celda de perovskita superior y la baja generación de corriente en la celda del medio. Resolvieron estos retos con tres nuevos ajustes en el material y en el diseño óptico. Primero, añadieron una molécula que guía la formación de cristales de perovskita y elimina los defectos, permitiendo que la celda superior cree un mayor voltaje (1,4 V) bajo la luz solar. En segundo lugar, desarrollaron un nuevo método de tres pasos para fabricar una celda intermedia que mejora la absorción de la luz en la parte del infrarrojo cercano del espectro solar. Por último, añadieron nanopartículas entre la celda de silicio inferior y la celda de perovskita intermedia que reflejan la luz solar adicional hacia la celda intermedia, aumentando aún más su corriente.
Hacia una energía solar asequible de alta eficiencia
Tanto la perovskita como el silicio son más baratos de fabricar que las células solares semiconductoras III-V más eficientes disponibles hoy en día, que se basan en materiales caros y se utilizan principalmente para alimentar a satélites. El desarrollo de células solares que puedan alcanzar este nivel de eficiencia a un coste mucho menor podría permitir el desarrollo de tecnologías solares de nueva generación para uso residencial y servicios públicos, así como para aplicaciones espaciales.
El líder del equipo del EPFL, Christian Wolff, anuncia que continuarán explorando estrategias de ampliación para la fabricación con el CSEM, así como haciendo pruebas de durabilidad e integración en futuros productos comerciales.
"Este proyecto ilustra el poder de combinar la ciencia fundamental con los conocimientos de ingeniería suiza", afirma. "Al demostrar que los materiales de perovskita de bajo coste pueden aproximarse al rendimiento de la fotovoltaica de grado espacial más avanzada, esta investigación establece un nuevo punto de referencia para la fotovoltaica multiunión.”
Composición de la célula solar de triple unión: dos células de perovskita de capa fina (etiquetas naranja y roja) y una célula de silicio (gris oscuro). Los materiales de cada capa se indican en el lado derecho. Las flechas de la imagen de microscopía electrónica de barrido indican los diferentes colores de la luz absorbida en las distintas células solares que constituyen la triple unión. 2026 EPFL PV-Lab CC BY SA
Imagen de la línea de luz NCD-SWEET en el Sincrotrón ALBA.
Esta investigación ha contado con la colaboración de: Fraunhofer ISE (Alemania), University of Freiburg (Alemania), Empa (Suiza), Northwestern University (EUA), Helmholtz-Zentrum Berlin (Alemania), University of Queensland (Australia), University of Potsdam (Alemania), Arizona State University (EUA), ALBA Synchrotron, University of Groningen (Países Bajos) y EPFL Valais-Wallis (Suiza).
Este trabajo ha sido posible gracias al soporte destacado de: Unión Europea (Horizon projects TRIUMPH y VIPERLAB), Fonds Électricité Vitale Vert (Services Industriels de Genève), Swiss State Secretariat for Education, Research and Innovation (SERI), Swiss Federal Office of Energy y the Swiss National Science Foundation.