Un equipo de investigadores de la Universitat de València y del Instituto de Tecnología de Karlsruhe (KIT) desarrolló un proceso de fabricación en vacío sin disolventes que permite depositar capas de perovskita de manera uniforme sobre superficies de silicio texturizadas a alta velocidad. Los resultados fueron publicados en la revista Nature Energy.
Un equipo investigador del Instituto de Ciencia Molecular (ICMol) de la Universitat de València y del Instituto de Tecnología de Karlsruhe (KIT) en Alemania ha desarrollado un proceso de fabricación en vacío sin disolventes que permite depositar capas de perovskita de manera uniforme incluso sobre superficies de silicio texturizadas a alta velocidad. Los resultados se publican en ‘Nature Energy’, según ha informado la institución académica en un comunicado.
Según la UV, “la energía solar es uno de los pilares fundamentales de la transición energética”. Las celdas solares tipo tándem de perovskita y silicio ofrecen la posibilidad de alcanzar “eficiencias superiores” a las de las celdas de silicio convencionales. Sin embargo, su fabricación a escala industrial constituye uno de los “principales desafíos”.
Las celdas solares tándem de perovskita-silicio combinan dos semiconductores que absorben distintas regiones de la luz solar. La capa superior de perovskita absorbe principalmente la luz azul de alta energía, es decir, de longitud de onda corta, mientras que la celda de silicio situada debajo utiliza, sobre todo, las fracciones de longitud de onda más larga. De este modo, las celdas solares tipo tándem tienen la capacidad de convertir más energía de la luz solar en electricidad que las celdas convencionales compuestas únicamente por silicio. Sin embargo, uno de los principales retos de esta nueva tecnología consiste en depositar la capa de perovskita “de forma reproducible, uniforme y rápida”.
“Para la fabricación industrial no solo cuenta la eficiencia, sino también si un proceso es rápido, robusto y escalable”, afirmó el profesor Ulrich Paetzold, del Instituto de Tecnología de Microestructuras y del Instituto de Tecnología de la Luz del KIT. “Hemos podido demostrar que un proceso de vacío especialmente rápido no solo genera capas uniformes, sino que también permite obtener celdas solares tándem de perovskita-silicio eficientes”, detalló.
El proceso en vacío a alta velocidad se basa en la sublimación a espacio cercano, conocida como CSS por sus siglas en inglés (Close-Space Sublimation). En este proceso, los materiales de partida se “subliman” y llegan hasta la celda de silicio, situada a solo unos milímetros de la fuente del material. Allí reaccionan directamente para formar una capa de perovskita. Un aspecto importante del proceso CSS es el bajo consumo de materia prima por cada conversión. Esto permite utilizar la misma fuente de material para un gran número de deposiciones.
“Con esta técnica somos capaces de depositar materiales orgánicos a alta velocidad y sin disolventes, algo difícil de conseguir con métodos convencionales debido a la inestabilidad de estos materiales a altas temperaturas. Al reducir la distancia entre el material de partida y el sustrato, no solo se puede realizar la sublimación a temperaturas más bajas, sino que la deposición se produce mucho más rápido”, subrayó la coautora Sofía Chozas-Barrientos, de la Universitat de València. “En nuestro trabajo, la conversión se completó tras solo diez minutos; para un proceso en vacío, esto supone un avance importante”, apuntó la investigadora.
Además de un recubrimiento uniforme, la capa superior de perovskita debe absorber también las fracciones adecuadas de luz. Esta propiedad se controla mediante la banda prohibida del material: la subcelda superior de perovskita debe tener una banda prohibida más elevada para absorber los fotones de mayor energía y dejar pasar el resto de la luz hacia la subcelda de silicio, logrando así un acoplamiento eficiente entre ambas. Dado que el bromo puede aumentar la banda prohibida, el equipo investigador probó inicialmente una capa precursora inorgánica que contenía bromo. Sin embargo, durante la conversión a perovskita mediante CSS, la proporción deseada no se mantuvo en el material. “La solución fue utilizar una fuente orgánica mixta compuesta por yoduro de metilamonio y bromuro de metilamonio”, señaló el coautor Alexander Diercks, quien, en el marco de la colaboración en el proyecto Nexus de Horizon Europe, pasó seis meses trabajando para su tesis doctoral en el grupo del profesor Bolink en València. “Mediante la proporción entre ambos componentes pudimos controlar el contenido de bromo en el material final y alcanzar una banda prohibida de 1,64 electronvoltios”, añadió Diercks.
Para una fabricación industrial, el proceso CSS debe ser compatible con distintos tipos de superficies de silicio, incluidas las texturizadas, habituales en el silicio industrial y comercial. Estas presentan estructuras piramidales de entre una y dos micras sobre las que la luz rebota, aumentando así su recorrido dentro de la celda y mejorando la absorción. Por ello, el equipo científico probó el proceso CSS sobre celdas de silicio con superficies planas y nanotexturizadas, más habituales en estudios a pequeña escala en el laboratorio, y microtexturizadas, más representativas del silicio industrial. En las tres superficies se formaron capas de perovskita con propiedades casi idénticas, sin necesidad de ajustar los parámetros del proceso. La microscopía electrónica de barrido y los análisis de rayos X mostraron una cobertura uniforme. Las celdas solares tándem fabricadas con este proceso alcanzaron una eficiencia del 23,5 por ciento sobre celdas de silicio planas, del 23,7% sobre celdas nanotexturizadas y del 24,3% sobre celdas microtexturizadas.
“Esto es muy importante para la escalabilidad”, indicó el catedrático de la Universitat de València Hendrik Bolink. “Un proceso que solo funcionara sobre superficies perfectamente lisas tendría una utilidad limitada para aplicaciones industriales. El hecho de que la sublimación en espacio cercano genere capas uniformes también sobre celdas de silicio texturizadas hace que este enfoque sea relevante para la industria”, destacó.
El estudio es resultado de una estrecha colaboración entre los grupos de investigación del KIT y de la UV. También participaron el CONICET-UNL, en Argentina, y la Université Grenoble Alpes/CEA-LITEN, en Francia.