Los científicos del Laboratorio Nacional de Energía Renovable (NREL) y First Solar desenrollaron 30 años de historia para crear un nuevo enfoque para hacer células solares de telururo de cadmio (CdTe), allanando así el camino para que esta tecnología reduzca aún más los costos de la electricidad de las fuentes de energía convencionales.
Durante décadas, las células solares CdTe se han fabricado con la adición de cobre y cloro, porque los intentos de fabricarlas sin una u otra han reducido el rendimiento. Pero el enfoque histórico también tiene sus dificultades. Las propiedades clave del material críticas para un mayor rendimiento han alcanzado un techo, y el cobre puede moverse dentro de la célula solar durante períodos prolongados de uso, lo que hace que cambie la eficiencia y se acorte la vida útil.
Figura 1. La microscopía avanzada en secciones transversales de células solares ilustra el arsénico en sitios atómicos de telurio (verde) versus regiones donde no hay penetración (azul) o defectos materiales causados por el procesamiento (rojo). Las imágenes izquierda y derecha del artículo comparan los enfoques de difusión en los sitios descritos en el texto, respectivamente.
Los investigadores de NREL y el principal fabricante mundial de paneles solares de película delgada, First Solar, pudieron alterar con éxito el enfoque de larga data al eliminar el cobre y colocar un — “dopaje” —elementos de la quinta columna de la tabla periódica (Grupo V), como antimonio o arsénico, en sitios de cristales de telurio a velocidades extremadamente altas mediante métodos de bajo costo requeridos para la producción en masa.
La investigación aparece en el artículo de Nature Energy, “Superando el 20 % de eficiencia con el dopaje in-situ del grupo V en células solares policristalinas CdTe”. Ocho de los autores del artículo son de NREL: Wyatt Metzger, Eric Colegrove, John Moseley, Craig Perkins, Chun-Sheng Jiang, Darius Kuciauskas, David Albin y Mowafak Al-Jassim y otros nueve son de First Solar. La compañía de Arizona que es el líder del mercado para la producción y venta de paneles solares de película delgada de CdTe.
El nuevo documento informa una eficiencia de celda del 20.8 %, lo que representa un punto de cruce para la nueva tecnología del grupo V en relación con la tecnología histórica del cobre.
“Estamos entusiasmados con el potencial de rendimiento de las células solares CdTe dopadas por elementos del Grupo V, particularmente porque las pruebas han demostrado una degradación más lenta a largo plazo y la oportunidad de cosechar eficiencia adicional”, dijo Gang Xiong, director del First Solar California Technology Center. “First Solar tiene un largo historial de colaboración con NREL y otras instituciones para desarrollar nuestra comprensión del dopaje CdTe e impulsar el cambio fundamental hacia el dopaje del Grupo V. Estamos satisfechos con los resultados de este esfuerzo de colaboración”.
Los resultados se basan en investigaciones fundamentales anteriores con cristales individuales reportados en 2016 por NREL en colaboración con la Universidad Estatal de Washington, que demostraron que las células solares de CdTe podían generar un voltaje récord al usar elementos del Grupo V. El reemplazo resultante del cobre aumentó la vida útil y la densidad del portador en varios órdenes de magnitud, y NREL mostró que los elementos del Grupo V eran más estables que el cobre. Pero los cristales individuales son demasiado caros y lentos de fabricar. El siguiente paso fue transformar este trabajo fundamental en materiales y métodos industrialmente relevantes.
Los esfuerzos iniciales intentaron difundir elementos del Grupo V en CdTe utilizando vapores de alta temperatura. Pero si la temperatura era demasiado baja, los elementos no se extendían a través de la celda lo suficiente, y si hacía demasiado calor, el vidrio del panel comenzaría a derretirse.
“Aquí es donde te encuentras con estas limitaciones de fabricación en el mundo real”, dijo Metzger, autor principal del artículo.
Se trabajó un método diferente: agregar elementos del Grupo V a medida que crecen las células (in situ). Esto permite propiedades de material mucho mejores para aumentar la eficiencia y reduce la degradación a largo plazo, lo que puede mejorar significativamente la vida útil de los paneles solares.
La investigación fue financiada por la Oficina de Tecnologías de Energía Solar del Departamento de Energía y First Solar.
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