Un equipo de investigación internacional ha propuesto una serie de técnicas de optimización para células solares de trisulfuro de antimonio (Sb2S3) que, según se informa, pueden aumentar la eficiencia de estos dispositivos fotovoltaicos a más del 11%. Se dice que el nuevo diseño de celda resultante mejora significativamente el control de alineación de bandas y la optimización de parámetros.

Un equipo de investigación internacional ha esbozado un nuevo diseño de células solares basadas en trisulfuro de antimonio (Sb2S3) que, según se informa, puede dar lugar a una eficiencia un 30% mayor en comparación con los conceptos de células solares Sb2S3 existentes.

Este tipo de tipología de células ha estado, hasta ahora, lejos de llegar a la producción comercial, debido a la baja cristalinidad y la alta resistividad de la película Sb2S3, lo que afecta el rendimiento del dispositivo en términos de eficiencia. Sb2S3, sin embargo, tiene una buena banda prohibida, que oscila entre 1,70 y 1,90 eV, y un notable coeficiente de absorción de luz.

En el estudio “Examen de los fenómenos de transporte y los mecanismos de recombinación en células solares Sb2S3  de película delgada,” publicado en informes científicos, los científicos explicaron que los dispositivos Sb2S3 pueden alcanzar una eficiencia de hasta el 26% por debajo del límite radiativo, pero los defectos en el material absorbente comúnmente la reducen a alrededor del 8%.

"La novedad de este trabajo radica en su examen teórico detallado de las células solares Sb2S3, centrándose específicamente en la intrincada interacción de varios mecanismos de transporte, como la recombinación mejorada por túneles, la recombinación de la interfaz Sb2S3/CdS y la recombinación no radiativa", agregaron.

Su análisis mostró que dos de los factores clave que influyen en el rendimiento de las células Sb2S3 son el sulfuro de cadmio. (CdS) y el espesor de la capa, que tienen un impacto en el voltaje de circuito abierto y la corriente de cortocircuito del dispositivo. Además, descubrieron que la banda prohibida y la afinidad electrónica influyen en la absorción de luz y la transferencia de carga, respectivamente.

También explicaron que ajustar la capa de CdS con una banda prohibida alta permite que una mayor cantidad de fotones penetren efectivamente en el absorbente. "Al mismo tiempo, una menor afinidad electrónica juega un papel crucial en la mejora de parámetros clave como la corriente de cortocircuito y el voltaje de circuito abierto, lo que en última instancia aumenta la eficiencia de conversión general de la célula solar", enfatizaron. "Esta mejora se debe al establecimiento de una alineación óptima de la banda en la interfaz CdS/Sb2S3, reduciendo la altura de la barrera y facilitando el paso suave de los electrones desde la capa absorbente al CdS".

El grupo también analizó el efecto de las trampas masivas ubicadas en la interfaz entre CdS y Sb2S3 y descubrió que la influencia de estos defectos interfaciales puede tener un impacto en la vida útil de las minorías de los portadores, la longitud de difusión y la velocidad de recombinación de la superficie. "Los científicos pueden desarrollar estrategias para mitigar sus efectos adversos", dijeron los académicos. "Esto incluye diseñar estructuras de interfaz, optimizar las propiedades de los materiales y mejorar las técnicas de pasivación para minimizar la recombinación y mejorar la confiabilidad de la interfaz CdS/Sb2S3, lo que en última instancia conduce a diseños de células solares más eficientes y robustos".

El equipo esbozó una arquitectura de célula solar sencilla con los parámetros optimizados propuestos. El dispositivo se basó en un sustrato hecho de vidrio y óxido de indio y estaño (ITO), una capa de CdS, un absorbente Sb2S3 y un contacto metálico de oro (Au).

Simulado y probado en condiciones de iluminación estándar, el dispositivo mostró una eficiencia de conversión de energía del 11,68 %, un voltaje de circuito abierto de 1,16 V, una densidad de corriente de cortocircuito de 9,5 mA cm-2 y un factor de llenado del 54,7 %. "En particular, la célula solar Sb2S3 optimizada no sólo exhibe un rendimiento superior sino que también demuestra una mayor confiabilidad en la mitigación de trampas interfaciales en la interfaz CdS/Sb2S3, gracias a un mejor control de alineación de banda y optimización de parámetros", dijeron los científicos.

El grupo de investigación estaba formado por científicos del instituto de investigación de Argelia, el Laboratorio HNS-RE2SD, la Comisión de Energía Atómica de Bangladesh, la Universidad Autónoma de Querétaro de México., el Instituto Saveetha de Ciencias Médicas y Técnicas de la India y la Academia de Investigación y Educación Kalasalingam, así como la Universidad Rey Saud en Arabia Saudita y la Universidad Yeungnam en Corea del Sur.