Selenium-dependent Structural and Optoelectronic Properties of Mo-Free Cu 2 ZnSn(S,Se) 2 Solar Cells Prepared from Elemental Precursors

El mundo funciona con energía, pero las fuentes en las que dependemos hoy en día son finitas y dañinas para el planeta. Los combustibles fósiles como el carbón y el petróleo se agotarán eventualmente, y su combustión calienta la atmósfera. Esta realidad ha impulsado a los científicos a buscar alternativas más limpias, siendo la luz solar la promesa más abundante. El desafío no radica en capturar la luz del sol, sino en convertirla en electricidad de manera eficiente y económica. Durante décadas, el silicio ha sido el material estándar para los paneles solares, pero es costoso de refinar y requiere una fabricación compleja. Una nueva generación de células solares utiliza películas delgadas de cristales especiales llamados kesteritas. Estos materiales están hechos de elementos que son comunes y no tóxicos, tales como cobre, zinc, estaño y azufre. Tienen el potencial de ser más baratos y respetuosos con el medio ambiente que el silio tradicional, siempre que los investigadores logren descifrar cómo hacer que funcionen tan bien como las mejores tecnologías existentes.

Un equipo de investigadores en Indonesia exploró recientemente una nueva forma de construir estas células solares, centrándose en un tipo específico de cristal de kesterita que incluye selenio, un elemento químico relacionado con el azufre. Su objetivo era crear una célula solar completa utilizando únicamente materiales básicos disponibles localmente y un proceso sencillo basado en líquidos, evitando las costosas cámaras de vacío que suelen requerirse para la fabricación de alta tecnología. Construyeron un dispositivo con capas de vidrio transparente, un recubrimiento de óxido especial y una película delgada de su cristal personalizado, sándwich entre otras capas conductoras. Al sustituir parte del azufre en su mezcla por selenio, pretendían ajustar la capacidad del material para absorber la luz y conducir la electricidad. El equipo comparó las células fabricadas con productos químicos estándar de laboratorio frente a aquellas hechas con polvos crudos de origen local para ver si la ruta más barata podía ofrecer resultados similares.

Los investigadores descubrieron que podían sintetizar con éxito la estructura cristalina deseada utilizando su método líquido, creando un material rico en zinc y ligeramente pobre en cobre, un equilibrio específico conocido por mejorar el rendimiento. Al examinar los cristales bajo potentes microscopios y analizar su estructura interna, descubrieron que la adición de selenio cambiaba significativamente la forma física del material. Los átomos de selenio hicieron que los diminutos granos del cristal se encogieran drásticamente. En las muestras fabricadas con productos químicos estándar, los granos descendieron de un tamaño de aproximadamente 32.8 nanómetros a solo 10.7 nanómetros. Del mismo modo, los granos en las muestras de origen local se encogieron de aproximadamente 195.9 nanómetros a 98.1 nanómetros. Esta reducción de tamaño creó una superficie más porosa, lo que los investigadores creen que ayuda al material a atrapar más luz y reduce la cantidad de luz que rebota en la superficie.

Las pruebas ópticas revelaron que este cambio en el tamaño y la composición tenía un efecto directo en cómo el material interactúa con la luz. La adición de selenio desplazó la absorción del material hacia longitudes de onda más largas, un fenómeno conocido como corrimiento al rojo (redshift), lo que efectivamente redujo la brecha de energía que el material necesita superar para generar electricidad. La muestra con mejor rendimiento, hecha con productos químicos estándar y que contenía selenio, alcanzó una banda prohibida (bandgap) de 1.16 electronvoltios, la más baja entre todas las muestras probadas. Esta menor brecha de energía permitió a la célula recolectar un espectro más amplio de la luz solar, resultando en una eficiencia de recolección de luz del 88.12 por ciento. En contraste, las muestras sin selenio tenían brechas de energía más altas y recolectaban menos luz. El estudio también mostró que las muestras con contenido de selenio tenían menos impurezas no deseadas, conocidas como fases secundarias, que pueden bloquear el flujo de electricidad. La mejor muestra tenía un contenido de fase secundaria de solo 16.2 por ciento, el más bajo de todos los grupos probados.

Cuando el equipo probó la electricidad real generada por estas células, los resultados confirmaron los beneficios de la adición de selenio. La célula solar fabricada con la mezcla de selenio estándar produjo la eficiencia global más alta de 0.166 por ciento. Aunque esta cifra aún está muy por debajo de la eficiencia de los paneles de silicio comerciales, representa un paso significativo para este tipo específico de fabricación de bajo costo y sin vacío. La célula también alcanzó el voltaje más alto y el mejor factor de llenado, una medida de qué tan eficazmente la célula entrega potencia. Curiosamente, la célula fabricada con los materiales de origen local funcionó casi tan bien como la hecha con productos químicos estándar, alcanzando el 92 por ciento de la eficiencia de la mejor muestra. Esto sugiere que los productos químicos importados y costosos no son estrictamente necesarios para lograr buenos resultados, siempre que el proceso de síntesis se controle cuidadosamente.

Los investigadores señalaron que el rendimiento se vio limitado por la alta cantidad de material amorfo, o no cristalino, en sus películas, lo cual ocurrió debido a que no utilizaron un tratamiento de gas específico durante el proceso de calentamiento. Esta falta de una estructura cristalina perfecta significó que las células aún no pudieran alcanzar todo su potencial. Sin embargo, el estudio demostró con éxito un nuevo diseño de célula solar que no utiliza una capa de respaldo de molibdeno, un material que es difícil de obtener y costoso. En su lugar, utilizaron una capa conductora transparente que es mucho más barata y fácil de obtener. El trabajo demuestra que es posible construir una célula solar funcional utilizando un método sencillo basado en soluciones y materias primas disponibles localmente. Al mostrar que el selenio puede reducir el tamaño del grano, disminuir la brecha de energía y minimizar las impurezas, el estudio proporciona un camino claro para mejorar la eficiencia de estas células solares de abundancia terrestre en el futuro.