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Investigadores del Instituto de Ciencias Fotónicas de Barcelona han desarrollado células solares semitransparentes basadas en nanocristales de plata, bismuto y azufre, elementos no tóxicos y abundantes. Sus resultados ofrecen una eficiencia de conversión de energía del 6,3%, un valor parecido al que consiguen las tecnologías fotovoltaicas de células solares ultrafinas de alto rendimiento.
La energía solar se está convirtiendo en una fuente alternativa a los combustibles fósiles, y el desarrollo de las tecnologías fotovoltaicas no deja de crecer para su aplicación en cualquier entorno: edificios, ropa, electrónica de consumo y accesorios. Estas demandas han fomentado el desarrollo de células solares ultradelgadas, de bajo coste y que sean respetuosas con el medio ambiente durante su producción, uso y eliminación.
Las células solares inorgánicas más utilizadas en el mercado, las que aparecen sobre los tejados o en las huertas solares, están fabricadas con silicio. Sin embargo, su producción suele ser costosa y consume mucha energía, sin olvidar que los módulos son voluminosos y de gran peso. Como alternativa al silicio, existen células ultrafinas y más baratas, pero están compuestas de elementos tóxicos como el plomo o cadmio, o contienen elementos escasos, como el indio o teluro.
En este contexto, los investigadores del Instituto de Ciencias Fotónicas (ICFO) Maria Bernechea, Nicky Miller, Guillem Xercavins, David So y Alexandros Stavrinadis, dirigidos por el profesor ICREA en el ICFO Gerasimos Konstantatos, han encontrado una solución a este creciente problema. Han logrado fabricar una célula solar semitransparente, procesada en solución y fabricada a bajas temperaturas, basada en nanocristales de plata, bismuto y azufre (AgBiS2), un material compuesto por elementos no tóxicos y que son abundantes en la Tierra.
Además de demostrar ser muy buenos en absorción de luz pancromática, estos nanocristales han sido diseñados para actuar como un medio eficaz en el transporte de cargas para células solares procesadas en solución.
¿Qué tienen de especial estas células? Como comenta la investigadora Bernechea, "contienen nanocristales de AgBiS2, un nuevo material basado en elementos no tóxicos. La síntesis química de los nanocristales permite un control preciso de sus propiedades a través de la ingeniería a nanoescala así como su disolución en soluciones coloidales. El material se sintetiza a muy bajas temperaturas (100 ºC), un orden de magnitud más bajo que las requeridas para células solares basadas en silicio”.
Célula solar semitransparente basada en nanocristales de AgBiS2. / ICFO
El equipo ha desarrollado estas células a través de un proceso sintético de inyección caliente a baja temperatura. Primero dispersaron los nanocristales en disolventes orgánicos, donde las soluciones mostraron ser estables durante meses, sin ninguna pérdida en el rendimiento del dispositivo. Posteriormente, los nanocristales se depositaron sobre una película delgada de óxido de zinc (ZnO) y óxido de indio y estaño (ITO), el óxido conductor transparente más comúnmente utilizado, a través de un proceso de deposición de capa-por-capa hasta que se consiguió un espesor de aproximadamente 35 nanómetros.
Fabricación con equipos sencillos
"Una característica muy interesante de las células solares de AgBiS2 recae en el hecho de que pueden fabricarse en aire y a bajas temperaturas, utilizando técnicas de procesado en solución sin necesidad de emplear equipos caros y sofisticados para fabricar muchas otras células solares. Estas características las dan un potencial significativo como una alternativa de bajo coste a las células solares tradicionales", según Miller.
En un primer informe, estas células ya han logrado obtener una eficiencia de conversión de energía del 6,3%, el cual está a la par con previos estudios sobre las eficiencias en tecnologías fotovoltaicas de células solares ultrafinas de alto rendimiento. Esto pone de manifiesto el potencial que tiene AgBiS2 como un material perfecto para células solares que en un futuro próximo podrán competir con las actuales tecnologías de capas ultrafinas que se basan en procesos de fabricación realizadas en el vacío y a altas temperaturas.
El profesor Konstantatos concluye: "Este es el primer material eficiente de nano-cristales inorgánicos para células solares de estado-sólido que satisface al mismo tiempo las exigencias de no toxicidad, fabricadas con procesados en solución a bajas temperaturas y con materiales que abundan. Estos primeros resultados son muy alentadores, sin embargo, esto es solo el principio y por tanto ya estamos trabajando en nuestro siguiente hito buscando conseguir eficiencias superiores al 12 %".
Los resultados del estudio, que ha sido financiado por la Comisión Europea dentro del proyecto NANOMATCELL y se han publicado en Nature Photonics, significan un punto de inflexión en el concepto y la producción de células solares, pasando de las células solares basadas en silicio a otras ecológicas de bajo coste, que ayudarán a desarrollar un mundo más seguro y sostenible.
Referencia bibliográfica:
M. Bernechea, N. Cates Miller, G. Xercavins, D. So, A. Stavrinadis, G. Konstantatos. “Solution-processed cells based on environmentally friendly AgBiS2 nanocrystals”,Nature Photonics. 2016, DOI: 10.1038/NPHOTON.2016.108
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