A continuación podéis leer el artículo escrito por Abderrahim Lahlahi, ganador del 4º ATC Impulsa.
Desarrollo de celdas fotovoltaicas multicapa sobre sustratos cerámicos
Por Abderrahim Lahlahi
La tecnología fotovoltaica surge en el año 1954, con el desarrollo de las primeras células solares de silicio a través de pequeños dispositivos con eficiencias del 6%, por parte de la compañía Bell Laboratories [1]. Dado que la eficiencia de conversión de energía (PCE) de las celdas de silicio (primera generación) se está acercando a su límite práctico (25%), las celdas de segunda generación de capa fina están despertando un gran interés, sobre todo por las posibilidades de poderlas integrar arquitectónicamente en los edificios (BIPV) en edificaciones de fachadas ventiladas.
La evolución histórica de las celdas solares ha ido de la mano de las exigencias medioambientales para la reducción de la huella del carbono. La energía generada a partir de celdas solares respetuosas con el medio ambiente es un aspecto clave para el desarrollo de una energía limpia y renovable. Esta tecnología solar se caracteriza por su nula emisión de gases de efecto invernadero (GEI) [2].
Las celdas de segunda generación, objeto de estudio en este proyecto, se clasifican en celdas de silicio amorfo, calcogenuros y compuestos del grupo III y IV. Este tipo de celdas se caracterizan por tratarse de capas nanométricas capaces de generar un voltaje. Estas capas nanométricas tienen ventajas económicas ya que se emplean menor cantidad de material para su confección. Además, también hay que destacar la flexibilidad y versatilidad de las capas que permite utilizar esta tecnología sobre plásticos flexibles o incluso sobre sustratos cerámicos como el sistema de capas basadas en Cu(InGa)Se2 diseñado por el grupo de Química del Estado Sólido de la Universitat Jaume I de Castellón [3], [4].
Absorbedores fotovoltaicos de Sb2S3
Estas últimas décadas se ha prestado una gran atención en materiales no tóxicos y abundantes en la tierra como capas absorbentes fotovoltaicas. Estas capas deben de tener un alto coeficiente de absorción (>105 cm-1) y un band gap óptimo (1-1,5 eV). El Sb2S3 está siendo un prometedor absorbente fotovoltaico debido a las interesantes eficiencias de conversión de energía que se están logrando en comparación con otras celdas emergentes. Cabe destacar, además, la fase única estable que se forma y sus condiciones de síntesis benignas. Estas son variables muy importantes en el desarrollo de semiconductores.
Estudios muy recientes han demostrado que se pueden fabricar dispositivos de Sb2S3 de alta calidad con eficiencias cercanas al 10%. Teniendo en cuenta estos recientes avances, en el presente proyecto se pretende llevar a cabo una investigación de rutas para depositar capas de una forma óptima y escalable sobre sustratos vítreos o incluso cerámicos [5].
Objetivos
En este proyecto se pretende desarrollar una metodología de fabricación de dispositivos fotovoltaicos basados en Sb2S3 opacos o semitransparentes sobre sustratos cerámicos. La opacidad de las capas viene dada por la naturaleza del contacto posterior. Si este es de molibdeno el sistema será opaco en cambio si este contacto es de FTO será semitransparente. Además del absorbedor Sb2S3, se lleva a cabo un estudio de las otras capas que componen el sistema, como la transportadora de huecos o electrones (MnS y CdS respectivamente) o la capa conductora de FTO (SnO2:F).
Desarrollo experimental
Se han estudiado las condiciones y técnicas más adecuadas y óptimas para la deposición de las diferentes capas que componen el sistema fotovoltaico tal y como se observa en el esquema de la Figura 2. Las capas conductoras de FTO o molibdeno se han depositado mediante spray pirólisis 400ºC y sputtering respectivamente. La capa de MnS mediante electrodeposición. El absorbedor de Sb2S3 mediante electroplating y posterior sulfurización por deposición química de vapores (CVD) a 200ºC y 1 atm de presión tal (Figura 3). Por último, la capa de CdS mediante deposición por baño químico (CBD) a 80ºC.
Resultados
La respuesta fotovoltaica de los dispositivos que se han fabricado es distinta según si introducimos selenio en la estructura o no lo hacemos. Por un lado, en el caso de la celda de Sb2S3, se obtiene una eficiencia de conversión de 0,91% con un Voc de 286 mV, una Jsc de 10,18 mA/cm2 y un factor de llenado de 31,18%. Este factor se define como la relación entre el máximo punto de potencia dividido entre el voltaje en circuito abierto y la corriente en cortocircuito. Cuando se dopa al absorbedor con selenio se obtienen cristales de Sb2(Se,S)3. Con estos cristales, se obtiene una eficiencia de conversión de 1,45%, un Voc de 294 mV, un Jsc de 14,99 mA cm-1 y un factor de llenado (%FF) de 32,95 %. Este aumento se debe a la modificación del band-gap del absorbedor.
La energía de band-gap de los cristales de Sb2S3 es de 1.7 eV [42]. En cambio para excitar los electrones desde la banda de valencia a la banda de conducción en los cristales de Sb2(Se,S)3, se necesita menos una energía, 1.52 eV. Por este motivo la eficiencia es mayor [6].
Referencias
[1]. A. A. F. Husain, W. Z. W. Hasan, S. Shafie, M. N. Hamidon, and S. S. Pandey, “A review of transparent solar photovoltaic technologies,” Renewable and Sustainable Energy Reviews, vol. 94. Elsevier Ltd, pp. 779–791, Oct. 01, 2018. doi: 10.1016/j.rser.2018.06.031.
[2]. K. L. Chopra, P. D. Paulson, and V. Dutta, “Thin-film solar cells: An overview,” Progress in Photovoltaics: Research and Applications, vol. 12, no. 2–3, pp. 69–92, 2004, doi: 10.1002/pip.541.
[3]. J. G. Cuadra, S. Porcar, D. Fraga, T. Stoyanova-Lyubenova, and J. B. Carda, “Enhanced Electrical Properties of Alkali-Doped ZnO Thin Films with Chemical Process,” Solar, vol. 1, no. 1, pp. 30–40, Nov. 2021, doi: 10.3390/solar1010004.
[4] T. Lyubenova, D. Fraga, J. B. C. Castelló, V. Kozhukharov, and M. S. Machkova, “Multifunctional smart coatings on novel ceramics and glassceramic substrates in the context of the circular economy,” Journal of Chemical Technology and Metallurgy, vol. 53, pp. 1103–1116, Jan. 2018.
[5].A. Mavlonov et al., “A review of Sb2Se3 photovoltaic absorber materials and thin-film solar cells,” Solar Energy, vol. 201. Elsevier Ltd, pp. 227–246, May 01, 2020. doi: 10.1016/j.solener.2020.03.009.
[6].S. Wang et al., “Efficient and stable all-inorganic Sb2(S, Se)3 solar cells via manipulating energy levels in MnS hole transporting layers,” Science Bulletin, vol. 67, no. 3, pp. 263–269, Feb. 2022, doi: 10.1016/j.scib.2021.11.012
