(Imagen simbólica). Una célula solar triple apila tres capas semiconductoras una encima de la otra, cada una de las cuales absorbe una parte diferente del espectro solar. Es precisamente este diseño el que aumenta la eficiencia más allá de los límites físicos de las células de silicio simples. El nuevo mejor valor certificado es del 30,02% y procede de un laboratorio de la Suiza francófona.
(Foto: © Investigación y conocimiento)
Sólo el silicio choca contra una dura pared física: más de aproximadamente el 29% de la luz solar no se puede convertir en electricidad con una sola celda. Ahora un equipo de la Suiza francófona ha superado esta barrera con un stack de tres capas, logrando un récord certificado que supera en casi tres puntos porcentuales el récord anterior de su categoría. Lo notable no es tanto el número sino cómo llegó allí. Tres intervenciones específicas fueron suficientes y una de ellas parece casi banal.
Cada célula solar soluciona un problema fundamental: la luz solar se compone de fotones con energías muy diferentes, pero un semiconductor sólo puede utilizar de forma eficiente una pequeña parte de ellos. Los fotones con poca energía penetran en el material no utilizado. Los fotones con demasiada energía liberan el exceso en forma de calor. Esta desproporción conduce a un límite superior teórico que para una sola capa de silicio asciende aproximadamente al 29%, mientras que en la práctica se ha alcanzado aproximadamente el 26,7%. La solución es apilar varios semiconductores con diferentes bandas prohibidas uno encima del otro. La capa superior absorbe la luz azul de onda corta y deja pasar el resto, la capa inferior captura el siguiente rango espectral. Dos capas superpuestas forman una célula solar en tándem, tres capas forman una célula solar triple. El alcance teórico aumenta con cada situación, pero la implementación práctica también aumenta en dificultad.
La razón está en el cableado. Las capas están conectadas en serie, por lo que la corriente parcial más débil determina la corriente total, al igual que el eslabón más débil de una cadena. Por lo tanto, todas las capas deben suministrar exactamente la misma cantidad de corriente, lo que requiere una coordinación precisa del espesor de las capas y las bandas prohibidas. También hay un problema material. Las pilas clásicas de alto rendimiento fabricadas con semiconductores III-V alcanzan hasta el 37%, pero cuestan unas mil veces más por vatio que las células terrestres y, por tanto, están reservadas para los viajes espaciales. Las perovskitas se consideran una alternativa rentable porque pueden depositarse como películas delgadas a bajas temperaturas y su banda prohibida se puede ajustar mediante su composición química. Sin embargo, hasta el momento las pérdidas se han acumulado en tres localidades. Una comparación con una célula tándem de silicio y perovskita, que ya ha superado con creces el 30%, muestra lo alto que está el listón.
Dos vulnerabilidades y tres intervenciones
Investigadores del Laboratorio de Energía Fotovoltaica y Electrónica de Película Delgada de la EPFL y del centro de investigación suizo CSEM han identificado los dos puntos más débiles de la pila. Según el trabajo del autor principal, Kerem Artuk, publicado en Nature, la capa superior de perovskita sufrió un voltaje demasiado bajo, mientras que la capa intermedia generó muy poca corriente. Para combatir el problema del estrés, el equipo utilizó una molécula que dirige el crecimiento de la perovskita durante la cristalización y al mismo tiempo satura los defectos de los límites de grano. De lo contrario, los portadores de carga se recombinarán prematuramente y se perderán en el flujo de corriente. Después del tratamiento, la capa superior entrega 1,4 voltios a la luz solar, lo que es alto para esta clase de materiales. Para combatir el problema actual, los investigadores han desarrollado un nuevo proceso de fabricación de tres pasos para la célula central que mejora su grabación en el infrarrojo cercano.
Maquillaje con el espejo incorporado
La tercera intervención se refiere a la gestión de fotones y a primera vista parece casi trivial. El equipo colocó nanopartículas de óxido de silicio entre la celda de silicio inferior y la capa central de perovskita. Estas partículas dispersan la luz que no llega a la celda central en el primer paso, donde tiene una segunda oportunidad de ser absorbida. En lugar de hacer la capa más gruesa, lo que habría creado nuevas pérdidas, el difusor simplemente extiende la trayectoria óptica de la luz hacia el interior del componente. La corriente adicional en la celda central aumenta la corriente total del circuito en serie. El resultado es una eficiencia certificada independientemente del 30,02%, probada en el Instituto de Microsistemas y Tecnología de la Información de Shanghai. El mejor valor anterior para esta tipología, establecido por un equipo de la Universidad Nacional de Singapur, fue del 27,1%. También en otros lugares se mejoran los rendimientos mediante la física y no mediante nuevos materiales, por ejemplo con un revestimiento de hidrogel para enfriar los módulos solares.
Porque escalar es más importante que registrar
Los valores registrados por el laboratorio a menudo se refieren a muestras del tamaño de un sello postal y luego vuelven a desaparecer. Por tanto, el punto crucial de este trabajo va más allá del número. El equipo no solo produjo la pila en un centímetro cuadrado, sino también en 4 y 54 centímetros cuadrados, demostrando así que los procesos se pueden ampliar y son fundamentalmente compatibles con los pasos de producción industrial. En el proyecto participaron el Fraunhofer ISE, la Universidad de Friburgo, el Centro Helmholtz de Berlín y la Universidad de Potsdam. El director del laboratorio, Christophe Ballif, habla de un avance del 13% desde la primera demostración en 2018 y cree que a largo plazo con células triples se puede alcanzar más del 40%. La experiencia con los mejores valores anteriores muestra lo lejos que queda para pasar de una eficiencia récord en el laboratorio a un módulo rentable.
Lo que todavía falta ahora
El lado abierto de la tecnología se llama durabilidad. Las perovskitas son sensibles a la humedad, el oxígeno, el calor y la radiación ultravioleta, y un panel solar debe durar de dos a tres décadas en un tejado. Para este tipo aún no existen datos fiables a largo plazo durante un período de tiempo similar, y es precisamente aquí donde se decide si el valor de laboratorio se convierte en un producto. El líder del equipo EPFL, Christian Wolff, menciona con seriedad los próximos pasos: ampliación junto con el socio CSEM, pruebas de envejecimiento e integración en futuros productos comerciales. Sin embargo, el atractivo económico sigue siendo considerable. China domina la producción en masa de módulos convencionales, mientras que la fuerza de los institutos suizos y alemanes reside en los materiales y los procesos. Recoger más electricidad desde el mismo tejado o fachada es importante cuando el espacio es escaso y caro, y esta ventaja crece con cada punto porcentual.
Natura, células solares de triple unión con gestión mejorada de portadores y fotones; doi:10.1038/s41586-026-10385-y
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