Fabricación de células solares y rendimiento fotovoltaico. Crédito: Nature Energy (2025). Doi: 10.1038/s41560-025-01756-2
En las últimas décadas, las células solares se han generalizado cada vez más, con un número creciente de individuos y empresas en todo el mundo que ahora dependen de la energía solar para alimentar sus hogares u operaciones. Los ingenieros de energía en todo el mundo han estado tratando de identificar materiales que son prometedores para el desarrollo de fotovoltaicos, son ecológicos y no tóxicos, y también se pueden obtener fácilmente y procesarse.
Estos incluyen materiales a base de kesterito, como Cu₂znsns₄ (CZTS), una clase de materiales semiconductores con una estructura cristalina que se asemeja a la de la kesterita mineral natural. Las células solares de kesterita podrían tener varias ventajas sobre los fotovoltaicos convencionales a base de silicio que se utilizan más hoy en día, incluidos los costos de fabricación más bajos, una composición menos tóxica y una mayor flexibilidad.
A pesar de su potencial, las células solares de kesterita desarrolladas hasta la fecha alcanzan una eficiencia de conversión de energía significativamente menor (PCE) que sus contrapartes de silicio. Esto se debe en gran parte a los defectos a escala atómica en materiales a base de kesterito que atrapan a los portadores de carga y provocan recombinación no radiativa, un proceso que causa pérdidas de energía y, por lo tanto, reduce el rendimiento de las células solares.
Investigadores de la Universidad de Shenzhen y la Universidad de Rennes introdujeron recientemente una nueva técnica de pasivación que podría ayudar a suprimir los defectos en CZTS y otros kesterites, lo que a su vez podría aumentar el rendimiento de las células solares en función de estos materiales. Se descubrió que su técnica propuesta, esbozada en un artículo publicado en Nature Energy, dio como resultado células solares con una eficiencia certificada del 11,51%, sin el uso de más aditivos para mejorar las propiedades de los materiales.
“CZTS es un material fotovoltaico competitivo, especialmente para las células solares multijunción”, escribió Tong Wu, Shuo Chen y sus colegas en su artículo. “Sin embargo, la eficiencia de conversión de potencia del dispositivo se ha mantenido estancada durante años. Los defectos de nivel profundo, como las vacantes de azufre (VS), causan una recombinación grave no radiativa de portadores de carga. Proponemos una estrategia de pasivación para VS a través del tratamiento térmico de los CDS/CZTS heteroygroy en un entorno rico en oxígeno”.
La estrategia de pasivación ideada por este equipo de investigadores implica calentar la heterounión CDS/CZTS, que es la interfaz entre el material de kesterita (es decir, CZTS) y una capa de tampón sulfuro de cadmio (CDS), todo dentro de un entorno rico en oxígeno. Las capas del tampón son capas intermedias en células solares que se colocan entre los materiales absorbentes, en este caso CZTS y un material conductor transparente.
“En este proceso, VS están ocupados por átomos de oxígeno, suprimiendo los defectos”, explicó Wu, Chen y sus colegas. “Además, la difusión de iones CD a la capa absorbente de CZTS, y la formación de complejos positivos de Na -O y SN -O puede pasivar defectos relacionados. Estos efectos condujeron a una recombinación de carga reducida y una alineación de banda favorable”.
Para demostrar el potencial de su enfoque de pasivación, los investigadores lo aplicaron a células solares reales basadas en CZTS y luego evaluaron el rendimiento de estas células en una serie de pruebas. Descubrieron que su estrategia mejoró los PCE de las células, sin el uso de aditivos o estrategias de dopaje extrínsecas.
“Demostramos una eficiencia certificada de 11.51% para las células solares CZTS procesadas por la solución del aire (BandGAP de 1.5 eV) sin ninguna aleación de cationes extrínsecos”, escribió Wu, Chen y sus colegas. “El estudio ofrece información sobre la pasivación de defectos y el mecanismo de mejora del rendimiento de las células solares de kesterita”.
En el futuro, el reciente estudio de Wu, Chen y sus colegas y la nueva estrategia de pasivación que idearon podrían perfeccionarse aún más y aplicarse a otras células solares basadas en kesterito. Finalmente, podría contribuir al avance de estas células solares, lo que a su vez podría facilitar su despliegue del mundo real.
Más información: Tong Wu et al, tratamiento térmico en un entorno rico en oxígeno para suprimir las trampas de nivel profundo en la célula solar CU2ZNSNS4 con una eficiencia certificada del 11.51%, la energía de la naturaleza (2025). Doi: 10.1038/s41560-025-01756-2.
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Cita: la técnica de pasivación reduce los defectos en las células solares de kesterita para lograr una eficiencia del 11.51% (2025, 26 de abril) recuperado el 26 de abril de 2025 de https://techxplore.com/news/2025-04-passivation-technique-defects-kesterite-solar.html
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