Las células solares son una parte vital de la transición de la energía verde. Se pueden utilizar no solo en tejados y granjas solares, sino también para alimentar vehículos autónomos, como aviones y satélites. Sin embargo, las células solares fotovoltaicas son actualmente pesadas y voluminosas, lo que las hace difíciles de transportar a lugares remotos fuera de la red, donde son muy necesarias.
Ahora, un equipo de investigadores del Imperial College de Londres, Cambridge, UCL, Oxford, Helmholtz-Zentrum Berlin en Alemania y otros ha producido materiales que pueden absorber niveles comparables de luz solar con más fuerza que las tecnologías convencionales de células solares y se pueden imprimir con tinta. El material puede cosechar la luz solar usando capas de solo 1/500 del grosor de una hebra de cabello.
El nuevo material verde que los investigadores encontraron es el sulfuro de bismuto de sodio (NaBiS2), que se cultiva como nanocristales y se deposita a partir de la solución para hacer películas de 30 nanómetros de espesor. NaBiS2 se compone de elementos no tóxicos que son lo suficientemente abundantes en la corteza terrestre para su uso comercial.
«Hemos encontrado un material que absorbe la luz con más fuerza que las tecnologías convencionales de células solares y se puede imprimir con tinta», dice Yi-Teng Huang, estudiante de doctorado de la Universidad de Cambridge y coautor. «Esta tecnología tiene potencial para fabricar células solares ligeras que se pueden transportar o utilizar fácilmente en aplicaciones aeroespaciales».
Los iones de sodio y bismuto en NaBiS2 tienen tamaños similares, lo que significa que en lugar de ocupar diferentes sitios cristalográficos (ordenados), ocupan el mismo sitio (disordenados). Como resultado, la estructura cristalina cambia a sal de rocas, que se asemeja a la sal de mesa. Pero el sodio y el bismuto no se distribuyen uniformemente en el material, y esto tiene un efecto significativo en la resistencia de absorción.
«El desorden se ha visto durante mucho tiempo como el enemigo de las células solares. Conocido por matar la eficiencia en materiales solares convencionales como el silicio (Si), el telururo de cadmio (CdTe) y la arseniuro de galio (GaAs), los investigadores normalmente se han centrado en evitarlo a toda costa. Este trabajo, junto con otros estudios recientes de nuestros y otros grupos, muestra que este no es necesariamente el caso», dijo Seán Kavanagh, coautor de la investigación. «Más bien, si podemos entender y controlar este desorden, puede presentar una herramienta poderosa para ajustar las propiedades del material y producir un rendimiento récord en una amplia gama de aplicaciones, no solo las células solares, sino también los LED y los termoeléctricos, por ejemplo. ¡Es una perspectiva emocionante para la investigación de materiales!»
Los investigadores también descubrieron que el trastorno tiene un efecto significativo e inusual en el transporte de cargas fotogeneradas en el material. Una distribución no homogénea de iones de sodio y bismuto da como resultado la formación de estados electrónicos localizados, que capturan cargas rápidamente. Estas cargas viven en estos estados durante decenas de microsegundos, lo que es al menos 100 veces más largo que en otros semiconductores novedosos.
Además, encontraron que los defectos atómicos juegan un papel insignificante en NaBiS2 porque el transporte de cargos está dominado por los efectos de estos estados localizados. Estos resultados demuestran la importancia de controlar el grado de desorden y comprender la influencia en los estados electrónicos de los materiales.
La investigación también mostró que NaBiS2 es estable en el aire durante toda la duración de su prueba de 11 meses sin necesidad de encapsulación. Esto sugiere la durabilidad a largo plazo del material en los dispositivos, que es un requisito clave para las células solares comerciales.
Los investigadores prevén que estos hallazgos despertarán un mayor interés en NaBiS2 y materiales similares, especialmente en la comprensión del papel del trastorno catiónico y las interacciones entre las cargas y la red cristalina.