Investigadores de la Universidad Nirma y el Colegio Samastipur, en la India, han diseñado una celda solar de película delgada libre de cadmio que utiliza un absorbedor de seleniuro de cobre e indio (CIS) y una capa de transporte de electrones (ETL) de óxido de indio (In₂O₃). Este avance promete aumentar la eficiencia de las celdas solares CIS a niveles sin precedentes, según un estudio publicado en la revista Next Materials.
El desafío de los materiales tradicionales
Las películas delgadas de CIS son prometedoras como absorbedores solares debido a su banda prohibida directa de aproximadamente 1.5 eV y su alto coeficiente de absorción. Sin embargo, el rendimiento de los dispositivos a menudo se ve limitado por la recombinación asistida por trampas y la recolección ineficiente de portadores en la interfaz.
Históricamente, materiales como el sulfuro de cadmio (CdS), el dióxido de titanio (TiO₂), el óxido de zinc (ZnO) y el óxido de estaño (SnO₂) se han utilizado ampliamente como capas de transporte de electrones en celdas solares de película delgada. Sin embargo, presentan desafíos significativos para la escalabilidad sostenible. El CdS plantea serias preocupaciones ambientales y de toxicidad, mientras que las alternativas libres de cadmio también tienen desventajas: el TiO₂ sufre degradación fotocatalítica inducida por UV y baja movilidad de electrones, el ZnO muestra inestabilidad química, y el SnO₂ a menudo requiere procesamiento a alta temperatura que puede introducir estados de trampa interfacial.
Óxido de indio: la solución prometedora
El equipo seleccionó el In₂O₃ por su combinación única de propiedades. “Ofrece alta movilidad de electrones, baja resistividad, excelente transparencia óptica en el rango visible y fuerte estabilidad química”, explicó Keyur Sangani, coautor del estudio. “Estas características permiten una extracción eficiente de electrones del absorbedor de CuInS₂, reduciendo la recombinación interfacial. Además, el In₂O₃ evita la degradación fotocatalítica y permite un procesamiento a menor temperatura, lo que lo hace adecuado para sustratos flexibles y un menor consumo de energía”.
Estructura del dispositivo y análisis de sensibilidad
La estructura propuesta del dispositivo incluye un contacto frontal de aluminio (Al), un sustrato de óxido de estaño dopado con flúor (FTO), una ETL de In₂O₃, un absorbedor de CuInS₂, una capa de transporte de huecos de silicio amorfo (a-Si:H) y un contacto posterior de níquel.
Para evaluar la viabilidad práctica y la robustez del dispositivo, los investigadores realizaron un análisis de sensibilidad paramétrico exhaustivo. Variaron sistemáticamente el espesor del absorbedor, la concentración de dopaje y las densidades de defectos, evaluando la tolerancia en condiciones no ideales. Identificaron un espesor óptimo del absorbedor de aproximadamente 1 μm. También encontraron que un mayor dopaje mejora el voltaje de circuito abierto (Voc) y el factor de llenado (FF), mientras que una densidad excesiva de defectos promueve la recombinación Shockley-Read-Hall y degrada el rendimiento. Mantener bajas densidades de defectos en el volumen y la interfaz es crítico para preservar el fotovoltaje y minimizar las pérdidas por recombinación.
Las simulaciones dependientes de la temperatura mostraron que los efectos térmicos impactan significativamente la eficiencia, lo que subraya la necesidad de una gestión térmica efectiva para mitigar la degradación del tiempo de vida de los portadores a temperaturas elevadas. Además, el Voc disminuye con el aumento del espesor del absorbedor debido a una mayor recombinación en el volumen y una mayor densidad de corriente de saturación, mientras que el FF se mantiene relativamente estable, lo que indica pérdidas resistivas limitadas.
Eficiencia récord y perspectivas futuras
El dispositivo optimizado alcanzó una eficiencia de conversión de potencia máxima del 29.79% en simulaciones SCAPS-1D. Sin embargo, este valor se basa en supuestos idealizados de defectos y representa un límite superior teórico. Por ello, se realizó un análisis de sensibilidad detallado para evaluar la aplicabilidad en el mundo real y la estabilidad del dispositivo.
“En general, combinar absorbedores CIS con ETL de In₂O₃ ofrece una vía clara, rentable y completamente ecológica para la fotovoltaica flexible de película delgada de alto rendimiento”, concluyó Ritesh Kumar Chourasia, coautor del estudio.
