Las células solares de CdTe son la segunda tecnología fotovoltaica más común tras la de silicio. En 2022, representaban alrededor de un tercio del mercado solar estadounidense a escala comercial. Estas células están compuestas por una fina película de material, entre 10 y 100 veces más fina que un cabello humano y, las interfaces en que se unen para formar el material aún son más delgadas (hasta 10.000 veces más).
Según explican desde el NREL, desde 1980 se sabe que la adición de un poco de cloruro de cadmio (CdCl2) a las interfaces de estas células reduce la pérdida de carga que se puede producir entre las interfaces y mejora la eficiencia de conversión de energía de la célula solar. Pero los experimentos realizados desde entonces no pudieron resolver la estructura de la interfaz hasta el nivel atómico para explicar por qué el tratamiento con CdCl2 era tan eficaz.
Este es el reto al que ahora han dado respuesta los investigadores del Laboratorio Nacional de Energías Renovables, junto con colegas de la Universidad de Khalifa, la Universidad Estatal de Bowling Green y el fabricante estadounidense First Solar. Modelizando el comportamiento de átomos y electrones individuales, el equipo simuló las posibles disposiciones de las interfaces tratadas con CdCl2.
Un gran hallazgo
Para calcular la estructura electrónica de una célula solar de CdTe -y determinar así su captación de carga-, los investigadores necesitaban primero determinar la disposición atómica de la interfaz CdCl2, algo que nunca antes se había hecho para estas células. Para lograrlo, el equipo aplicó un algoritmo de predicción de estructuras para interfaces, que ha permitido comprobar que el CdCl2 en la interfase adopta una disposición única que no se encuentra en cristales más grandes del material. Esta estructura atómica específica de la interfaz explica cómo el tratamiento con CdCl2 mejora el rendimiento de las células solares de CdTe.
Pero lo que más entusiasma a los investigadores son las implicaciones más amplias de su hallazgo ya que, como explica Stephan Lany, científico de materiales computacionales del NREL, “las capas funcionales finas sobre un sustrato pueden adoptar estructuras cristalinas bidimensionales únicas con propiedades distintas a las del material en bruto. Esto podría darles nuevas funcionalidades”. Por ejemplo, en materiales catalíticos, microelectrónica, electroquímica (como la división del agua, a menudo utilizada para producir hidrógeno) y materiales detectores.
"Como los dispositivos semiconductores dependen cada vez más de la integración de diferentes materiales a través de interfaces, esta mayor capacidad para modelar y ajustar sus estructuras nos permitirá diseñarlos de forma más intencionada para mejorar su rendimiento", añade Kirstin Alberi, directora del Centro de Ciencia de Materiales del NREL. "Estos conocimientos podrían abrir las puertas a la utilización de una gama de materiales más amplia de lo que hasta ahora se consideraba práctico".
