Stable AgBiS2 near-infrared absorbers for thin film tandem photovoltaics

La luz solar es un río de energía vasto e irregular, que contiene colores que van desde el violeta que podemos ver hasta el infrarrojo invisible que calienta nuestra piel. Durante décadas, la forma más eficiente de capturar esta energía ha sido utilizar un solo material, como el silicio, para convertir la luz en electricidad. Pero un solo material actúa como un tamiz con agujeros de un tamaño fijo; atrapa algunos colores bien pero deja que otros pasen de largo, desperdiciando su energía en forma de calor. Para capturar más del río, los científicos han recurrido al apilamiento de diferentes materiales uno sobre otro, creando células solares "tándem". Cada capa está ajustada para captar una diferente porción del espectro solar, trabajando juntas para cosechar mucha más energía de la que una sola capa podría jamás. El desafío siempre ha sido encontrar los materiales adecuados para la capa inferior, que debe ser delgada, flexible y capaz de captar las ondas largas e invisibles de la luz infrarroja sin degradarse.

Un equipo de investigadores de la Universidad de Oxford y sus colaboradores ha identificado ahora un nuevo material que podría resolver este problema, ofreciendo un camino hacia células solares que no solo sean más eficientes, sino también más baratas y estables de fabricar. Se centraron en un compuesto llamado sulfuro de plata y bismuto, un material que había mostrado promesa en células solares de una sola capa, pero que nunca se había utilizado con éxito como la capa inferior en un dispositivo tándem apilado. Los investigadores descubrieron que este material tiene una ventaja natural: puede absorber la luz infrarroja de manera más efectiva que el candidato líder actual, una mezcla de plomo y estaño, y no se descompone al exponerse al aire. Al desarrollar una nueva forma de depositar películas gruesas de este material, demostraron las primeras células solares tándem funcionales utilizando sulfuro de plata y bismuto, probando que puede combinarse con otras capas para crear una fuente de energía altamente eficiente, estable y escalable.

El viaje hacia este descubrimiento comenzó con una simple pregunta de física. En una célula solar tándem, la capa inferior necesita tener un "bandgap" o brecha de banda específico, un término que describe la cantidad mínima de energía que un material necesita para convertir la luz en electricidad. Si la brecha de banda es demasiado alta, el material ignora la luz infrarroja de baja energía; si es demasiado baja, desperdicia la energía de la luz de alta energía. La brecha de banda ideal para la capa inferior de una célula solar de dos capas es de poco menos de un electrónvoltio, y para una célula de tres capas, es incluso más baja. El estándar actual para la capa inferior en células solares avanzadas es una mezcla de plomo y estaño. Aunque esta mezcla puede ajustarse para absorber la luz infrarroja, su brecha de banda es todavía un poco demasiado alta para ser perfecta, y el componente de estaño es químicamente inestable, propenso a reaccionar con el oxígeno y arruinar la célula a menos que se fabrique en un entorno perfectamente sellado y libre de oxígeno.

Los investigadores dirigieron su atención al sulfuro de plata y bismuto. Este material tiene naturalmente una brecha de banda de aproximadamente un electrónvoltio, lo cual es mucho más cercano al valor ideal para una capa inferior que la mezcla de plomo y estaño. También está hecho de elementos que son abundantes y no tóxicos, y a diferencia de la mezcla de plomo y estaño, es estable en el aire normal. Sin embargo, hubo un obstáculo significativo. En experimentos previos, el sulfuro de plata y bismuto funcionaba mejor solo cuando se fabricaba en películas extremadamente delgadas, de apenas unas pocas decenas de nanómetros de espesor. Esto se debía a que el material tenía una "longitud de difusión" corta, lo que significa que, una vez que una partícula de luz crea una carga eléctrica, esa carga no puede viajar muy lejos antes de perderse. Para que una célula solar funcione bien, especialmente una diseñada para captar luz infrarroja, la película necesita ser mucho más gruesa, de unos cien nanómetros o más, para absorber suficiente luz. Si la película es demasiado gruesa, las cargas se atrapan y la electricidad deja de fluir.

Para superar esto, los investigadores desarrollaron un nuevo método para preparar el material. En lugar de construir la película capa por capa en un proceso lento y tedioso, crearon una tinta líquida que contiene diminutos cristales de sulfuro de plata y bismuto. Luego trataron estos cristales con una mezcla de agentes químicos, específicamente bromuro y yoduro, para limpiar y proteger sus superficies. Este tratamiento, conocido como intercambio de ligandos en fase de solución, permitió que los cristales se pegaran fuertemente entre sí y condujeran la electricidad mucho mejor. El resultado fue una película que podía depositarse en un solo paso, tal como se extiende la pintura, y podía hacerse tan gruesa como 340 nanómetros sin agrietarse ni perder su capacidad de transportar electricidad. Este fue un avance crucial, ya que significaba que el material finalmente podía ser lo suficientemente grueso para captar la luz infrarroja para la que fue diseñado.

Con esta nueva película gruesa en mano, el equipo construyó las primeras células solares tándem utilizando sulfuro de plata y bismuto. Crearon dos tipos de dispositivos. El primero fue un tándem de "cuatro terminales", donde dos células solares separadas se colocaron una sobre otra pero operaron de forma independiente, como dos baterías separadas conectadas en un circuito. Emparejaron una célula inferior de sulfuro de plata y bismuto con una célula superior hecha de un material diferente llamado perovskita. La combinación produjo una eficiencia de casi el 24 por ciento, un resultado sólido que demostró que los dos materiales pueden trabajar juntos de manera efectiva. El segundo tipo fue un tándem "monolítico" o de "dos terminales", donde las capas se fusionaron en una sola unidad sólida que actúa como una sola batería. Este fue un desafío de ingeniería mucho mayor, que requirió una capa transparente especial entre las dos células para permitir que la electricidad fluyera entre ellas sin cortocircuitarse. A pesar de la complejidad, el equipo construyó con éxito estos dispositivos, mostrando que los voltajes de las dos capas se sumaban correctamente, un requisito clave para una célula solar tándem funcional.

Las simulaciones que los investigadores realizaron antes de construir los dispositivos sugirieron que el sulfuro de plata y bismuto podría llevar la eficiencia teórica de las células solares de tres capas a casi el 48 por ciento, mucho más alto que el límite del 36 por ciento de la tecnología actual de plomo y estaño. Si bien los dispositivos que construyeron aún no alcanzaban ese pico teórico, los resultados experimentales confirmaron que el material funciona y que el nuevo método para fabricarlo es viable. El equipo también probó la estabilidad de sus nuevas células. Dejaron dispositivos sin sellar reposando en un estante en aire seco durante tres meses. Mientras que un dispositivo similar hecho con la mezcla de plomo y estaño habría perdido la mayor parte de su potencia en solo un día y medio, las células de sulfuro de plata y bismuto retuvieron más del 90 por ciento de su eficiencia original. Esta durabilidad sugiere que los futuros paneles solares hechos con este material podrían fabricarse en fábricas regulares sin la necesidad de salas costosas y libres de oxígeno, lo que potencialmente reduciría el costo de la energía solar.

Los investigadores también analizaron qué tan fácil sería fabricar estas películas a gran escala. Compararon su nuevo método de un solo paso con el antiguo método de múltiples pasos y encontraron que el nuevo enfoque era significativamente más rápido y barato. Lograron escalar su proceso desde pequeñas muestras de laboratorio hasta paneles más grandes, demostrando que la película permanecía uniforme y libre de defectos incluso cuando se fabricaba en una superficie del tamaño de una pequeña baldosa. Esta escalabilidad es esencial para pasar de una curiosidad de laboratorio a un producto que pueda utilizarse en tejados o integrarse en edificios.

El trabajo no significa que el problema esté completamente resuelto. Los investigadores señalaron que, incluso con sus mejoras, las cargas en el sulfuro de plata y bismuto todavía se atrapan relativamente rápido, lo que limita qué tan gruesa puede ser la película y cuánta corriente puede generar. Identificaron que el siguiente paso es encontrar formas de hacer el material aún más conductor, quizás cambiando cómo se disponen los cristales, para que las cargas puedan viajar aún más lejos. Sin embargo, el estudio ha establecido un nuevo camino claro. Al demostrar que el sulfuro de plata y bismuto puede fabricarse en películas gruesas, estables y eficientes, y al demostrar su éxito en las primeras células solares tándem, el equipo ha abierto la puerta a una nueva generación de tecnología solar que es más eficiente, más estable y potencialmente mucho más barata de producir de lo que existe hoy en día.