Investigadores del ICFO han fabricado una nueva célula solar orgánica de cuatro terminales con una configuración en tándem con una eficiencia de conversión de energía (PCE) del 16,94%.El nuevo dispositivo está compuesto por una celda frontal de alta transparencia que incorpora un electrodo de plata (Ag) transparente ultrafino de tan solo 7 nm, lo que asegura su eficiente funcionamiento.

Dos terminalestándem células solares orgánicas(OSC) representan uno de los enfoques más prometedores para abordar las pérdidas de transmisión y termalización en células solares de unión simple.Estas células solares orgánicas constan de subcélulas delanteras y traseras con diferentes bandas prohibidas, lo que permite una absorción y un uso más amplios del espectro solar.

Sin embargo, lograr un rendimiento óptimo en tales configuraciones exige un equilibrio de corriente suficiente entre las dos subcélulas.Además, fabricar células solares orgánicas en tándem de este tipo es un desafío porque necesitan una capa de interconexión robusta capaz de facilitar una recombinación de carga eficiente manteniendo al mismo tiempo una alta transparencia.

La configuración tándem de cuatro terminales ha surgido como una estrategia alternativa altamente eficiente endiseño de células solares.A diferencia del enfoque de dos terminales, esta configuración presentaconexiones electricaspara la celda frontal transparente y la celda trasera opaca.

En consecuencia, la cuestión de la adaptación de la corriente eléctrica ya no es un factor limitante.Esta configuración permite una mayor flexibilidad en la selección de las bandas prohibidas de cada celda del tándem, optimizando así la absorción de fotones y mejorando la eficiencia general de la producción de energía solar.

Ahora, en un nuevo estudiopublicadoen el diarioRRL solares, los investigadores del ICFO Francisco Bernal-Texca y el Prof. Jordi Martorell describen la fabricación de una célula solar orgánica en tándem de cuatro terminales que ha alcanzado una eficiencia de conversión de energía (PCE) del 16,94%.Para este logro es fundamental la fabricación de un electrodo de plata transparente ultrafino, un componente crítico que desempeñó un papel fundamental en la optimización del rendimiento de la célula solar en tándem.

Para fabricar el nuevo dispositivo, los investigadores exploraron primero los materiales orgánicos destinados a la capa fotoactiva de ambas células.Examinaron la eficacia de tres mezclas distintas para la célula frontal, que está diseñada para recolectar fotones de alta energía.Finalmente se eligió la mezcla que tuvo el mejor rendimiento, denominada PM6:L8-BO.Para la célula trasera opaca, los investigadores decidieron utilizar la mezcla PTB7-Th:O6T-4F, con una banda prohibida estrecha, lo que la hace más adecuada para absorber la parte infrarroja del espectro (fotones de baja energía).

Después de elegir las mezclas, los investigadores utilizaron un enfoque numérico para diseñar la estructura final del OSC de cuatro tándem.Utilizaron el formalismo matricial combinado con la metodología convencional de resolución de problemas inversos para encontrar el rendimiento óptimo y la configuración final del dispositivo solar.

La fabricación de un electrodo de plata transparente ultrafino con un espesor de sólo 7 nm fue el ingrediente clave de la investigación actual.Este elemento se colocó en la parte trasera de la celda frontal, asegurando una buena transmisión de luz para alimentar la celda trasera.Los electrodos superiores de Ag convencionales utilizados para aplicaciones de células solares transparentes suelen tener un grosor de 9 a 15 nm.

Su producción exigía un control meticuloso de las condiciones del laboratorio para garantizar precisión y coherencia.Luego, el electrodo se apiló con tres capas dieléctricas que alternaban trióxido de tungsteno (WO3) y fluoruro de litio (LiF).Esta estructura fotónica multicapa tiene un papel crucial, ya que se coloca entre las dos celdas para facilitar una distribución eficiente y uniforme de la luz.

"Esta estructura exhibe una alta transmisión en el rango de 750 a 1.000 nm y una alta reflectividad en el rango de 500 a 700 nm", escribieron los investigadores.

"El desarrollo de un electrodo intermedio de plata transparente es crucial para el funcionamiento eficiente de la célula solar. Debe presentar un equilibrio delicado, siendo lo suficientemente transparente como para permitir que la luz llegue a la célula posterior manteniendo al mismo tiempo una alta conductividad eléctrica para garantizar larendimiento óptimo"Poder fabricar un electrodo de sólo 7 nm sin observar pérdidas en las células transparentes frontales es un avance significativo en el campo de las células transparentes", afirma Bernal, investigador del ICFO y primer autor del estudio.

Los investigadores probaron el rendimiento fotovoltaico del dispositivo bajo 1 sol de iluminación con un simulador solar y midieron su eficiencia cuántica.El dispositivo logró un 16,94% deeficiencia de conversión de energía, que hasta la fecha sería el máximo alcanzado para una celda orgánica tándem de cuatro terminales.Los autores del estudio señalan que el récord oficial actual de eficiencia para dispositivos tándem orgánicos es del 14,2% y que el último PCE informado para tándems orgánicos de 4 terminales es del 6,5%.

"Nuestra investigación tiene aplicaciones potenciales en células fotoelectoquímicas (PEC), que abordan requisitos eléctricos cruciales, como proporcionar el voltaje necesario para superar el establecido para impulsar la división del agua o CO₂reacciones de reducción como en el proyecto SOREC2", explicó el Prof. Martorell, investigador del ICFO y coordinador del proyecto SOREC2.

"La metodología para el diseño e implementación de la estructura tándem de cuatro terminales podría aplicarse al diseño de sistemas de noticias donde una adecuada distribución de la luz en los elementos es crucial para el desempeño de un determinado dispositivo".

Actualmente, los investigadores están centrando su atención en refinar, ajustar y mejorar la metodología ydiseño estructuralDiseñados para aplicaciones como combustibles solares, donde los dispositivos en tándem tienen una aplicabilidad generalizada.Al optimizar la metodología y las estrategias de diseño, los investigadores pretenden desbloquear todo el potencial de estos dispositivos para aprovechar la energía solar para procesos de conversión de energía diversos y sostenibles, como el CO.₂conversión y valorización.

Más información:Francisco BernalâTexca et al, Tándem de cuatro terminales basado en una célula solar transparente PM6:L8âBO y un electrodo intermedio de capa Ag de 7 nm,RRL solares(2024).DOI: 10.1002/solr.202300728