Las células solares de seleniuro de cobre, galio y zinc alcanzan una eficiencia del 12.28%, un equipo japonés rompe el récord mundial

（Fuente: Electric Power International Exchange epintl）

Investigadores japoneses han logrado una eficiencia de conversión fotovoltaica del 12.28% en células solares de seleniuro de cobre, galio y selenio, siendo la más alta reportada en la gama de banda prohibida de 1.65-1.75 electronvoltios, sin incluir indio, en capas de absorción de compuestos anchos de banda de azufre. El dispositivo utiliza una película dopada con aluminio y combina un campo en la parte posterior con una capa amortiguadora de sulfuro de cadmio optimizada para mejorar el voltaje en circuito abierto, reducir la recombinación de portadores y así mejorar el rendimiento general.

Investigadores del Instituto Nacional de Ciencia y Tecnología Industrial Avanzada de Japón (AIST) fabricaron una célula solar con capa de absorción de seleniuro de cobre y galio (CuGaSe₂), logrando una eficiencia del 12.28%.

El seleniuro de cobre y galio es un semiconductor de la familia de los minerales de calcopirita, estrechamente relacionado con los materiales de células solares de CIGS (cobre, indio, galio y seleniuro). Es un material ideal para la capa de absorción en células solares, ya que, como semiconductor de banda directa con una banda de aproximadamente 1.68 electronvoltios, puede absorber eficientemente la luz visible. Además, el seleniuro de cobre y galio presenta un alto coeficiente de absorción, lo que significa que incluso películas muy delgadas pueden absorber la mayor parte de la radiación solar incidente. Este material también muestra una buena tolerancia a defectos, ayudando a reducir la recombinación de portadores y permitiendo que las células solares mantengan un buen rendimiento incluso si la estructura cristalina no es perfecta.

El autor principal de este estudio, Masato Ishizuka, declaró a la revista “Photovoltaic Journal”: “Este nivel de eficiencia puede considerarse el máximo reportado en células solares de compuestos de azufre de banda ancha en el rango de 1.65 a 1.75 electronvoltios, especialmente en el campo de las células de calcopirita de banda ancha sin indio. Supera los registros de rendimiento de las células de cobre, galio y seleniuro de aluminio listadas en la Tabla 3 de la última edición de Progress in Photovoltaics (Edición 67).”

Continuó diciendo: “El rendimiento del dispositivo ha sido certificado por un laboratorio de pruebas acreditado —el Centro de Investigación en Energías Renovables Avanzadas, el equipo de calibración, estándares y medición en AIST, Japón.”

El dispositivo fue mejorado sobre el diseño de celda desarrollado en 2024 por investigadores de AIST. La incorporación de aluminio en la parte posterior de la película de CuGaSe₂ aumentó eficazmente el voltaje en circuito abierto, el factor de llenado y la eficiencia global de conversión fotovoltaica. Esta mejora se atribuye principalmente a la formación de un campo en la superficie trasera, que refuerza la recolección de los portadores minoritarios.

La célula solar récord fue fabricada mediante un proceso de tres pasos para preparar la capa de absorción de CuGaSe₂, en el que en el primer paso se introdujeron aluminio y fluoruro de rubidio de forma temprana, y en la fase final adicional se añadió fluoruro de rubidio. La distribución del aluminio en la capa de absorción se controló con precisión para aumentar el voltaje en circuito abierto sin sacrificar la eficiencia de conversión.

La célula está basada en un sustrato de vidrio de sodio-calcio, sobre el cual se depositó un electrodo de molibdeno mediante sputtering. Luego, se preparó la capa de absorción de CuGaSe₂ mediante deposición a alta temperatura y proceso de seleniuro, introduciendo aluminio en la parte trasera para formar el campo en la superficie trasera. La capa de absorción se sometió a un tratamiento de pasivación con metales alcalinos para mejorar las propiedades electroquímicas. Después, se añadió una capa amortiguadora de sulfuro de cadmio mediante baño químico para formar una unión p-n. Finalmente, se depositaron mediante sputtering óxido de zinc intrínseco y óxido de zinc dopado con aluminio como capas de ventana, además de las líneas de rejilla metálicas en la parte frontal.

En comparación con las células anteriores, la optimización de la capa de absorción mediante un gradiente de concentración de aluminio más pronunciado y el aumento del espesor de la capa de sulfuro de cadmio lograron mejorar el voltaje en circuito abierto y reducir la recombinación en la interfaz. El dispositivo alcanzó finalmente una eficiencia del 12.28%, con un voltaje en circuito abierto de 0.996 voltios, una densidad de corriente de cortocircuito de 17.90 miliamperios por centímetro cuadrado y un factor de llenado del 68.8%.

En comparación, un dispositivo fabricado en 2024 alcanzó una eficiencia del 12.25%, un voltaje en circuito abierto de 0.959 voltios, una densidad de corriente de cortocircuito de 17.64 miliamperios por centímetro cuadrado y un factor de llenado del 72.5%.

Este avance fue publicado en el artículo titulado “Logro de un nuevo récord de eficiencia en células solares de compuestos de azufre con banda de 1.7 electronvoltios mediante regulación sinérgica de fase y interfaz”, en la revista “Progress in Science”.

Masato Ishizuka afirmó: “Nuestro trabajo se centra en la investigación básica de dispositivos de banda ancha utilizados como la capa superior en células solares en tándem. La fabricación de prototipos también requiere desarrollar una célula base adecuada y tecnologías de apilamiento correspondientes. Por lo tanto, esta investigación aún no está en una etapa lista para producción a gran escala. Dado que todavía estamos en la fase de investigación fundamental, no se ha realizado un análisis detallado de costos.”