Un reciente estudio llevado a cabo por los investigadores del Instituto de Ciencias Fotónicas (ICFO) en Cataluña ha conducido a la fabricación de una nueva célula solar orgánica de cuatro terminales en tándem que ha alcanzado una eficiencia de conversión de energía del 16,94%. La eficacia del nuevo dispositivo radica en una subcelda frontal transparente que incorpora un electrodo de plata de solo 7 nm de grosor.
Las células solares orgánicas en tándem de dos terminales son una de las soluciones más prometedoras para abordar las pérdidas por transmisión y por termalización en las células solares de una sola unión. Sin embargo, lograr un rendimiento óptimo exige un equilibrio de corriente suficiente entre las dos subceldas. Además, fabricar este tipo de células solares representa un desafío debido a la necesidad de integrar una capa de interconexión robusta que facilite la recombinación eficiente de la carga manteniendo al mismo tiempo una alta transparencia.
La configuración tándem de cuatro terminales ha surgido como una solución muy eficiente que, a diferencia de las células solares basadas en dos terminales, cuenta con conexiones eléctricas separadas y diferentes para la celda frontal transparente y la celda posterior más opaca. De esta manera, la necesidad de igualar la corriente eléctrica deja de ser una limitación. Esta disposición permite una mayor flexibilidad en la selección de las bandas prohibidas de cada celda del tándem, optimizando así la absorción de fotones y mejorando la eficiencia general de producción de energía solar.
Los investigadores del ICFO han publicado un nuevo estudio en la revista Solar RRL en el que describen la fabricación de una célula solar orgánica tándem de cuatro terminales que ha logrado una eficiencia de conversión de energía del 16,94%. Un elemento clave del trabajo ha sido el desarrollo de un electrodo de plata transparente ultradelgado, un componente fundamental en la optimización del rendimiento de la célula solar.
Elección de materiales para la fabricación de la célula solar
Para fabricar la célula solar, los investigadores exploraron los materiales orgánicos para formar la capa fotoactiva de las subcelda frontal y trasera. A continuación, examinaron la efectividad de tres mezclas de componentes distintas para la celda frontal. Finalmente, se eligió para esta celda frontal la mezcla con mejor rendimiento, denominada PM6:L8-BO. Para la celda posterior, más opaca, los investigadores decidieron utilizar la mezcla PTB7-Th:O6T-4F, con una banda prohibida más estrecha y capaz de absorber los fotones de baja energía que conforman la parte infrarroja del espectro solar.
Tras seleccionar los componentes, los investigadores diseñaron la estructura final del dispositivo aplicando un enfoque numérico. Para ello, combinaron el formalismo matricial con la metodología convencional de resolución inversa de problemas para identificar el rendimiento óptimo y la configuración final del dispositivo.
Mientras que los electrodos de plata convencionales utilizados para aplicaciones de células solares transparentes tienen generalmente un grosor de entre 9 y 15 nm, los investigadores del ICFO fabricaron un electrodo de plata transparente ultradelgado de solo 7 nm de grosor. El electrodo se integró una vez fabricado en la célula solar junto a tres capas dieléctricas de trióxido de tungsteno (WO3) y de fluoruro de litio (LiF). Esta estructura fotónica multicapa está situada entre las dos subceldas, facilitando una distribución de luz eficiente y uniforme.
Los investigadores actualmente trabajan en la mejora de la metodología y el diseño estructural adaptados para aplicaciones como los combustibles solares, donde los dispositivos tándem tienen una amplia aplicabilidad. Al optimizar la metodología y las estrategias de diseño, los investigadores intentan liberar el potencial de estos dispositivos para aprovechar la energía solar en diferentes procesos de conversión de energía sostenibles, entre ellos la conversión y valorización del CO2.