Adaptación de las células solares de kesterita para la generación de energía en interiores
Muchas de las tecnologías solares comerciales actuales funcionan bien al aire libre, pero tienen dificultades en interiores. A pesar de la bajada generalizada de los costes, la energía solar para interiores puede seguir siendo cara, puede contener materiales tóxicos y, a menudo, se degrada con el tiempo. Estas limitaciones hacen que el uso generalizado de las células fotovoltaicas de interior (CFI) siga siendo limitado, cuando son necesarias para alimentar el creciente número de dispositivos del «internet de las cosas» (IdC). Los materiales de kesterita ofrecen una solución prometedora: son muy abundantes, relativamente no tóxicos y estables. Sin embargo, las kesteritas se enfrentan a retos debido a las dificultades inherentes a la iluminación interior. «La luz LED de interior es mucho más débil que la luz solar y se concentra en el espectro visible, por lo que las kesteritas optimizadas para exteriores no son la opción ideal», explica Edgardo Saucedo(se abrirá en una nueva ventana), investigador sénior de la Universidad Politécnica de Cataluña - BarcelonaTech(se abrirá en una nueva ventana) (UPC) y coordinador del proyecto LEKPV. «Por ello, el proyecto LEKPV se propuso adaptar los materiales y dispositivos de kesterita específicamente para la captación de energía en interiores en el ámbito del IdC y la electrónica de baja potencia». A través del proyecto LEKPV, que contó con el apoyo de las acciones Marie Skłodowska-Curie(se abrirá en una nueva ventana), Saucedo y sus homólogos combinaron simulaciones avanzadas con procesos respetuosos con el medio ambiente y diseños novedosos para las kesteritas, con el objetivo de mejorar su eficiencia y dar paso a una nueva ola de tecnologías de CFI. «Dado que las kesteritas pueden procesarse mediante vías de solución escalables y de bajo coste, y utilizan elementos abundantes, presentan un potencial prometedor para futuras aplicaciones de captación de energía en interiores a gran escala», señala Yuancai Gong, investigador posdoctoral de la UPC y científico principal del proyecto LEKPV.
Ingeniería específica para la luz en interiores
Los investigadores combinaron simulaciones avanzadas de dispositivos, la fabricación de absorbedores en solución y la ingeniería específica de dispositivos para comprender y mejorar las células solares de kesterita destinadas a la captación de luz en interiores. Llevaron a cabo simulaciones complejas para identificar el rango de banda prohibida más adecuado y los mecanismos clave de pérdida bajo iluminación LED. Mediante una serie de experimentos, los investigadores desarrollaron tinta molecular y vías específicas de procesamiento en solución para poder recubrir superficies con «absorbentes» de kesterita. A continuación, modificaron la composición de las kesteritas, por ejemplo, añadiendo aleaciones de germanio para mejorar las propiedades generales de los materiales. También optimizaron la interfaz de los absorbedores —el punto en el que la capa que absorbe la luz entra en contacto con otras capas del dispositivo— para mejorar el rendimiento en entornos con poca luz.
Eficiencia líder a nivel mundial
Un resultado clave publicado fue el de una célula solar de kesterita específica para interiores que alcanzó una eficiencia del 15,1 %, mientras que los dispositivos aleados mostraron eficiencias en interiores de hasta alrededor del 18 % en condiciones de iluminación LED. «Esa es, hasta la fecha, la mayor eficiencia registrada a nivel mundial para esta tecnología», afirma Saucedo. «LEKPV ha demostrado que las células solares de kesterita son una tecnología prometedora para la energía fotovoltaica en interiores, especialmente cuando su banda prohibida y sus propiedades de defectos se adaptan a la iluminación LED», señala Saucedo. Aunque la tecnología aún no está lista para su implantación inmediata en el mercado, los resultados del proyecto son de relevancia directa para los sensores de IdC autoalimentados, los dispositivos de edificios inteligentes y la electrónica de bajo consumo, donde la sustitución o la reducción del número de pilas desechables es un importante motor del mercado. Saucedo señala que el proyecto demuestra que las CFI no debe limitarse a reutilizar materiales y conceptos desarrollados para la energía solar exterior. «La captación de luz en interiores requiere un diseño específico de los materiales, protocolos de ensayo y optimización de los dispositivos», añade. «La kesterita resulta especialmente interesante en este contexto».
Hacia la validación en entornos reales
Los investigadores tienen previsto mejorar aún más la eficiencia, la reproducibilidad y la estabilidad operativa de los dispositivos, a la vez que pasan de las células de área reducida a los minimódulos y los prototipos de demostración. «El trabajo futuro se centrará en perfeccionar la composición del absorbedor, reducir las pérdidas relacionadas con los defectos, mejorar las interfaces y validar los dispositivos en entornos interiores reales», afirma Saucedo. «También pretendemos reforzar la colaboración con investigadores y posibles usuarios finales en aplicaciones de CFI, IdC y edificios inteligentes, para que los resultados científicos se acerquen más a su uso práctico».
