Más allá de la ecuación de la célula solar de 80 años

Físicos de la Universidad de Swansea y la Universidad de Åbo Akademi han logrado un avance significativo en la tecnología de células solares mediante el desarrollo de un nuevo modelo analítico que mejora la comprensión y la eficiencia de los dispositivos fotovoltaicos de película delgada (FV).

Durante casi ocho décadas, la llamada ecuación de diodo de Shockley ha explicado cómo fluye la corriente a través de las células solares; la corriente eléctrica que alimenta tu hogar o carga el banco de baterías. Sin embargo, el nuevo estudio desafía esta comprensión tradicional para una clase específica de células solares de próxima generación, a saber: las células solares de película delgada.

Estas células solares de película delgada, fabricadas con materiales flexibles y de bajo costo, han tenido una eficiencia limitada debido a factores que los modelos analíticos existentes no podían explicar completamente.

El nuevo estudio arroja luz sobre cómo estas células solares logran una eficiencia óptima. Revela un equilibrio crítico entre la recolección de la electricidad generada por la luz y la minimización de las pérdidas debido a la recombinación, donde las cargas eléctricas se cancelan entre sí.

“Nuestros hallazgos brindan información clave sobre los mecanismos que impulsan y limitan la recolección de carga, y en última instancia la eficiencia de conversión de potencia, en dispositivos FV de baja movilidad”, dijo el autor principal, el Dr. Oskar Sandberg de la Universidad de Åbo Akademi, Finlandia.

Nuevo Modelo Captura la Pieza Faltante

Los modelos analíticos anteriores para estas células solares tenían un punto ciego: los “portadores inyectados” – cargas que entran al dispositivo desde los contactos. Estos portadores impactan significativamente la recombinación y limitan la eficiencia.

“Los modelos tradicionales simplemente no estaban captando toda la imagen, especialmente para estas células de película delgada con semiconductores de baja movilidad”, explicó el investigador principal, el profesor asociado Ardalan Armin de la Universidad de Swansea. “Nuestro nuevo estudio aborda esta brecha al introducir una nueva ecuación de diodo específicamente diseñada para tener en cuenta estos cruciales portadores inyectados y su recombinación con los fotogenerados”.

“La recombinación entre las cargas inyectadas y las fotogeneradas no es un gran problema en las células solares tradicionales como la FV de silicio, que es cientos de veces más gruesa que la FV de película delgada de próxima generación, como las células solares orgánicas”, agregó el Dr. Sandberg.

El profesor asociado Armin dijo: “Uno de los físicos teóricos más brillantes de todos los tiempos, Wolfgang Pauli, dijo una vez: ‘Dios hizo la masa; la superficie fue obra del diablo’. Como las células solares de película delgada tienen regiones interfaciales mucho más grandes por volumen que el silicio tradicional; no es de extrañar por qué se ven afectadas más drásticamente por ‘la obra del diablo’, ¡es decir, la recombinación de preciosas cargas fotogeneradas con las inyectadas cerca de la interfaz!”

Impacto en el Desarrollo Futuro de las Células Solares

Este nuevo modelo ofrece un nuevo marco para diseñar células solares y fotodetectores de película delgada más eficientes, optimizar los dispositivos existentes y analizar las propiedades de los materiales. También puede ayudar en el entrenamiento de máquinas utilizadas para la optimización de dispositivos, lo que marca un paso significativo hacia adelante en el desarrollo de células solares de película delgada de próxima generación.

El artículo se ha publicado en PRX Energy.