EE. UU. desarrolla un nuevo material para células fotovoltaicas cuánticas con una tasa de absorción fotovoltaica promedio del 80 por ciento

Según informes de medios extranjeros, los investigadores de la Universidad Lehigh de los Estados Unidos (Lehigh University) en un informe de investigación publicado recientemente afirmaron que desarrollaron un nuevo material absorbente de células fotovoltaicas de película delgada, supuestamente la tasa promedio de absorción fotovoltaica de este material es del 80%, su Eficiencia cuántica externa (EQE) del 190%.

La eficiencia cuántica externa (EQE) es la relación entre el número de electrones recogidos por una célula fotovoltaica y el número de fotones incidentes. Define la capacidad de una célula fotovoltaica para convertir fotones en corriente eléctrica. Chinedu Ekuma, uno de los autores principales del estudio, dijo en un comunicado: "En las células fotovoltaicas convencionales, la mayor eficiencia cuántica externa (EQE) es del 100 por ciento, lo que representa la producción y recolección de un electrón por cada fotón absorbido de la luz solar. ".

En un artículo publicado en la revista Science Advances titulado "Estados de banda intermedia químicamente sintonizados de materiales cuánticos CuxGeSe/SnS atómicamente gruesos para aplicaciones fotovoltaicas", los investigadores explican que el nuevo material cuántico podría ser una combinación ideal para las células fotovoltaicas de banda intermedia (IBSC). .

Estas células fotovoltaicas tienen el potencial de superar el límite de Shockley-Quayser (límite SQ), la eficiencia teórica máxima que puede alcanzar una célula fotovoltaica con una única unión pn. Se calcula examinando la cantidad de energía eléctrica extraída de cada fotón incidente.

Los investigadores explican: "El rápido aumento de la eficiencia de este material se debe en gran medida a sus únicos 'estados de banda intermedia', niveles de energía específicos ubicados dentro de la estructura electrónica del material que los hacen ideales para la conversión fotovoltaica. Los niveles de energía de estos estados están dentro la subbanda óptima: el rango de energía en el que el material puede absorber eficientemente la luz solar y generar portadores de carga".

El nuevo material es un material bidimensional de Van der Waals (vdW), lo que significa que tiene una estructura plana cristalina unida por enlaces iónicos. Consiste en una heteroestructura de germanio (Ge), selenio (Se) y sulfuro de estaño (Sns) con átomos de cobre (Cu) de valencia cero insertados en las capas del material.

El material cuántico CuxGeSe/SnS tiene una banda prohibida de energía intermedia entre 0.78 eV y 1,26 eV. Aprovechando esto, los investigadores diseñaron y modelaron para simular una célula fotovoltaica de película delgada utilizando el material como capa activa.

En este modelado, la celda fotovoltaica utiliza un sustrato de óxido de indio y estaño (ITO), una capa de transporte de electrones (ETL) a base de óxido de zinc (ZnO), una capa absorbente de CuxGeSe/SnS y contactos de oro (Au). El joven investigador señaló: "En nuestro diseño, los espesores a nivel atómico de GeSe y SnS se apilan verticalmente, lo que contribuye a la fácil integración de la estructura híbrida a través de interacciones de van der Waals".

Los resultados del modelado muestran que esta célula fotovoltaica tiene una eficiencia cuántica externa (EQE) del 110 % al 190 %. Los investigadores también descubrieron que la actividad óptica de la célula fotovoltaica aumentaba en el rango de longitud de onda de 600 nm a 1200 nm midiendo el espesor del absorbente.

En su artículo, los investigadores concluyeron: "La rápida respuesta y la mayor eficiencia de este material sugieren fuertemente el potencial del GeSe/SnS insertado en cobre como material cuántico para aplicaciones fotovoltaicas avanzadas, proporcionando una nueva vía para mejorar la eficiencia de la conversión fotovoltaica. "

De cara al futuro, los investigadores dicen que necesitan realizar nuevas investigaciones para identificar una forma práctica de incrustar este nuevo material en las células fotovoltaicas. Sin embargo, también señalan que las técnicas experimentales utilizadas para fabricar estos materiales ya están muy avanzadas.