Físicos de la Universidad de Swansea y la Universidad de la Academia Åbo han logrado un avance significativo en la tecnología de células solares al desarrollar un nuevo modelo analítico que mejora la comprensión y el rendimiento de los dispositivos fotovoltaicos (PV) de película delgada.
Durante casi ocho décadas, la llamada ecuación del diodo de Shockley ha explicado cómo fluye la corriente a través de las células solares. La corriente eléctrica que alimenta su hogar o carga un banco de baterías. Sin embargo, el nuevo estudio desafía esta comprensión convencional para una clase específica de células solares de próxima generación, a saber: las células solares de película delgada.
Estas células solares de película delgada, fabricadas con materiales flexibles y de bajo costo, tienen limitaciones de rendimiento debido a factores que los modelos analíticos actuales no pueden explicar completamente.
El nuevo estudio arroja luz sobre cómo estas células solares logran la máxima eficiencia. Esto representa un equilibrio importante entre la recolección de electricidad inducida por la luz y la minimización de las pérdidas debidas a la recombinación, donde las cargas eléctricas se cancelan entre sí.
“Nuestros resultados proporcionan información clave sobre los mecanismos para impulsar y limitar la recolección de carga y, en última instancia, la eficiencia de la conversión de energía en dispositivos fotovoltaicos de baja movilidad”, dijo el Dr. Oskar Sandberg de la Universidad Academia Åbo en Finlandia.
El nuevo modelo captura la pieza que falta.
Los modelos analíticos anteriores de estas células solares tenían un punto ciego: “portadores inyectados”: cargas que ingresan al dispositivo desde los contactos. Estos operadores afectan significativamente la recuperación y limitan el rendimiento.
“Los modelos tradicionales simplemente no capturaban la imagen completa, especialmente para estas células de película delgada con semiconductores de baja movilidad”, explicó el investigador principal, el profesor asociado Ardalan Armin de la Universidad de Swansea. “Nuestro nuevo estudio aborda esta brecha mediante la introducción de una nueva ecuación de diodo diseñada específicamente para tener en cuenta estos portadores inyectados críticos y recombinarlos con los generados por imágenes”.
“La recombinación entre cargas inyectadas y cargas fotogeneradas no es un problema importante en las células solares convencionales, como las fotovoltaicas de silicio, que son cientos de veces más gruesas que las fotovoltaicas de película delgada de próxima generación, como las células solares orgánicas”, añadió el Dr. Sandberg.
El profesor asociado Armin dijo: “Wolfgang Pauli, uno de los físicos teóricos más brillantes de todos los tiempos, dijo una vez: ‘Dios lo hizo grande; la superficie es obra del diablo’. Como en las células solares de película delgada, hay regiones interfaciales mucho más grandes por a granel que el silicio convencional; no es de extrañar que sean más susceptibles al “trabajo del diablo”: ¡esta es la recombinación de preciosas cargas fotogeneradas cerca de la interfaz!
Impacto en el futuro desarrollo de células solares
Este nuevo modelo ofrece un nuevo marco para diseñar fotodetectores y células solares delgadas más eficientes, optimizar los dispositivos existentes y analizar las propiedades de los materiales. También puede ayudar a entrenar máquinas utilizadas para la optimización de dispositivos, un paso clave en el desarrollo de células solares de película delgada de próxima generación.
