Materiales fotovoltaicos: Tipos y aplicaciones

La energía solar es una fuente de energía renovable y limpia que está ganando popularidad en todo el mundo. Los paneles solares utilizan materiales fotovoltaicos para convertir la luz solar en energía eléctrica. En este artículo, discutiremos los diferentes tipos de materiales fotovoltaicos y sus aplicaciones.

Materiales fotovoltaicos: Tipos y aplicaciones

Los materiales utilizados en los dispositivos fotovoltaicos suelen ser silicio (monocristalino, policristalino o amorfo), arseniuro de galio, calcogenuros metálicos y organometálicos.

Las células solares orgánicas se han convertido en un tema candente en la investigación industrial, ya que los materiales orgánicos conjugados procesables en solución tienen el potencial de permitir la fabricación simple de dispositivos fotovoltaicos de bajo costo, mecánicamente flexibles y de gran área que permiten el acceso relevante a la energía solar limpia y sostenible. Se ha dedicado un esfuerzo significativo a aumentar la eficiencia de conversión de energía de dichas células solares. Se logró un gran avance mediante el uso de estructuras de heterounión a granel, en las que la capa activa se recubre por rotación a partir de una solución mixta de materiales donantes y aceptores. La estructura de la mezcla parcialmente desmezclada resultante permite una ionización de excitón eficiente en la gran área interfacial, al mismo tiempo que mantiene un transporte de carga y extracción adecuados a través de fases bicontinuas de donante y aceptor.

Las células solares orgánicas son el único dispositivo fotovoltaico que utiliza moléculas para absorber fotones y convertirlos en cargas eléctricas sin necesidad de transporte intermolecular o excitación electrónica. También es la única célula solar de este tipo que separa las dos funciones de captación de luz y transporte de portadores de carga, mientras que los dispositivos fotovoltaicos convencionales realizan ambas operaciones simultáneamente. Esto impone estrictas demandas sobre las propiedades ópticas y electrónicas del semiconductor, es decir, su banda prohibida y su posición de banda, así como la movilidad del portador de carga y el tiempo de recombinación de las cargas fotogeneradas, lo que restringe en gran medida la elección de materiales adecuados que puedan actuar como eficientes. convertidores fotovoltaicos.

El sensibilizador molecular o punto cuántico semiconductor se coloca en la interfaz entre un material conductor de electrones (n) y huecos (p). El primero suele ser un óxido semiconductor de banda ancha, como TiO ₂ , ZnO o SnO ₂, mientras que el último es un electrolito redox o un semiconductor de tipo p. Tras la fotoexcitación, el sensibilizador inyecta un electrón en la banda de conducción del óxido y se regenera mediante inyección de huecos en el electrolito o conductor tipo p. Debido a que el sensibilizador inyecta electrones en el tipo n y huecos en el colector tipo p, solo se generan portadores mayoritarios. Estas cargas se desplazan en su respectivo medio de transporte hasta los contactos frontal y posterior de la fotocélula, donde se recogen como corriente eléctrica. El campo eléctrico presente en la vecindad de la unión separa las cargas positivas y negativas generadas bajo la iluminación, atrayendo los electrones hacia el material dopado con n y los huecos hacia el material dopado con p.

Para impartir una vida suficientemente larga a los pares de huecos de electrones generados por foto, se requiere el uso de materiales muy puros. Gelest trabaja con las empresas para lograr niveles de pureza más altos cuando se lo solicitan. La purificación química del semiconductor conlleva un coste elevado para el convertidor fotovoltaico. La luz solar es captada por el sensibilizador que se adhiere a la superficie de un semiconductor de banda prohibida grande, típicamente una película constituida por nanopartículas de titania.

Una serie de procesos deben ocurrir de manera eficiente en una buena celda solar de ‘próxima generación’. Estos son:

• absorción de fotones por la capa activa,
• migración de excitones y transferencia de carga en la interfaz,
• separación de las cargas de su atracción mutua de Coulomb, y
• transporte de cargas separadas a los electrodos.

Cada uno de estos procesos se puede monitorear mediante espectroscopia óptica, lo que la convierte en una poderosa herramienta para medir el rendimiento de los dispositivos. Las sondas ópticas son herramientas muy valiosas para estudiar la naturaleza de los estados excitados y la dinámica de los procesos de transferencia y recombinación de carga en los sistemas donante-aceptor. Los estados excitados son generados por un pulso láser de excitación y su absorción se mide registrando la transmisión de un segundo pulso. El segundo pulso láser llega un tiempo controlable después del pulso de excitación.

Los dispositivos con nuevos semiconductores eventualmente llegarán y reducirán notablemente los costos de producción. Para evitar la recombinación de portadores de carga dentro de la célula, las rutas de transporte de excitones deben ser cortas y debe facilitarse la separación de excitones. Transferido a la arquitectura del dispositivo, esto significa pequeños dominios de cada material donante o aceptor y grandes áreas interfaciales entre ellos, lo cual se puede lograr controlando el diseño de la celda en la nanoescala. Se requiere una mayor comprensión de los procesos de recombinación de carga y, especialmente, su dependencia de las morfologías a nanoescala para impulsar aún más las eficiencias, extender las altas eficiencias a dispositivos de área más grande y reducir la dependencia del ensayo y error para la optimización de estructuras y dispositivos.

Las células solares de perovskitas basadas en haluro de plomo orgánico-inorgánico son, con mucho, las células solares procesadas en solución de mayor eficiencia, y amenazan con desafiar tanto las DSC, las de película delgada y las de silicio policristalino. Las celdas solares de perovskita con contactos transparentes pueden usarse para compensar las pérdidas térmicas de las celdas solares de silicio en dispositivos tándem, ofreciendo una forma de superar las limitaciones de eficiencia en otros tipos de celdas solares.

Sin embargo, las celdas superiores de perovskita en estructuras en tándem requieren capas de contacto con alta conductividad eléctrica y transparencia óptima. A pesar de la intensa investigación en esta área, las preocupaciones en torno a la estabilidad a largo plazo, así como la toxicidad del plomo en la perovskita arquetípica, CH ₃ NH ₃ PbI ₃, ha sido criado.

Aunque la búsqueda de perovskitas sin plomo se ha desplazado naturalmente hacia otros cationes de metales de transición y formulaciones que reemplazan la fracción orgánica, las eficiencias con estas sustituciones siguen siendo sustancialmente más bajas que las de la perovskita con base de plomo. La familia de las perovskitas ofrece multitud de estructuras cristalinas y sustituyentes con el potencial de descubrir fenómenos fotofísicos nuevos y emocionantes que prometen una mayor eficiencia de las células solares.

Como la búsqueda de nuevos materiales similares al CH ₃ NH ₃ PbI ₃continúa, Gelest ofrece sintetizar a medida y escalar un derivado orgánico de metal que se necesita exclusivamente para fabricar la próxima generación de células solares híbridas de perovskita. En este sentido, respaldamos nuestra declaración de misión: “Habilitar su tecnología”.

Tipos de materiales fotovoltaicos

1. Silicio cristalino: Es el material fotovoltaico más utilizado en la fabricación de paneles solares. Es altamente eficiente y puede convertir hasta el 22% de la luz solar en energía eléctrica. El silicio cristalino se divide en dos tipos: monocristalino y policristalino. El monocristalino es más eficiente y duradero, pero también es más caro. El policristalino es menos eficiente pero más económico.
2. Película delgada: Esta tecnología utiliza materiales como el telururo de cadmio, el sulfuro de cobre-indio-galio y el silicio amorfo para crear células solares. Es más flexible y liviana que el silicio cristalino, pero también menos eficiente. Se utiliza comúnmente en aplicaciones de bajo consumo de energía, como relojes y calculadoras solares.
3. Perovskita: Es un material relativamente nuevo que ha demostrado una eficiencia sorprendentemente alta en la conversión de luz solar en energía eléctrica. Está hecho de un compuesto de haluro metálico y óxido de metal y tiene el potencial de ser más eficiente que el silicio cristalino. Sin embargo, todavía se encuentra en las primeras etapas de investigación y desarrollo.

Aplicaciones de los materiales fotovoltaicos

1. Energía residencial: Los paneles solares son una excelente opción para los hogares que desean reducir su consumo de energía de la red y reducir sus costos de energía. El silicio cristalino es el material fotovoltaico más comúnmente utilizado en aplicaciones residenciales.
2. Energía comercial: Las empresas también pueden beneficiarse de la energía solar al instalar paneles solares en sus edificios o terrenos. La tecnología de película delgada es popular en aplicaciones comerciales debido a su bajo costo y flexibilidad.
3. Energía portátil: Los paneles solares portátiles son ideales para actividades al aire libre como camping y senderismo. La tecnología de película delgada es una excelente opción para la energía portátil debido a su bajo peso y flexibilidad.

Conclusión

La energía solar es una fuente de energía renovable y limpia que se está volviendo cada vez más popular en todo el mundo. Los paneles solares utilizan materiales fotovoltaicos para convertir la luz solar en energía eléctrica. Hay diferentes tipos de materiales fotovoltaicos disponibles, incluyendo silicio cristalino, película delgada y perovskita. Cada uno tiene sus propias fortalezas y debilidades, y se utiliza en una variedad de aplicaciones, desde la energía residencial y comercial hasta la energía portátil.