Un nova cèl·lula solar orgànica tàndem de quatre terminals aconsegueix una eficiència de conversió d'energia del 16,94%

Les cèl·lules solars orgàniques tàndem de dues terminals són una de les solucions més prometedores per tal d'abordar les pèrdues per transmissió i per termalització en les cèl·lules solars d'una sola unió. Aquestes cel·les solars orgàniques es componen d'una subcel·la frontal i una de posterior amb bandes prohibides variables, la qual cosa permet una major absorció i un aprofitament mes eficient de l'espectre solar. No obstant això, aconseguir un rendiment òptim en aquest tipus de configuracions exigeix un equilibri de corrent suficient entre les dues subcel.les. A més, fabricar aquest tipus de cèl·lules solars orgàniques tàndem és tot repte degut a que es necessari integrar una capa d'interconnexió robusta que faciliti la recombinació eficient de la càrrega mantenint al mateix temps una alta transparència.

La configuració tàndem de quatre terminals ha aparegut com una solució alternativa molt eficient en el disseny de cèl·lules solars. A diferència de la solució basada en dues terminals, aquesta configuració compta amb connexions elèctriques separades i diferents per a la cel·la frontal transparent i la cel·la posterior més opaca. D'aquesta manera, la necessitat d'igualar el corrent elèctric deixa de ser un factor limitant. Aquesta disposició permet una major flexibilitat en la selecció de les bandes prohibides de cada cel·la del tàndem, optimitzant així l'absorció de fotons i millorant l'eficiència general de producció d'energia solar.

Ara, en un nou estudi publicat en la revista “Solar RRL", els investigadors de l'ICFO i membres de l’equip del projecte europeu SOREC2, Francisco Bernal-Texca i el professor Jordi Martorell, han descrit la fabricació d'una cèl·lula solar orgànica tàndem de quatre terminals que ha aconseguit una eficiència de conversió d'energia (PCE, per les seves sigles en anglès) del 16,94%. Un element clau del treball ha estat la fabricació d'un elèctrode de plata transparent extremadament prim, un component que ha jugat un paper fonamental en l'optimització del rendiment de la cèl·lula solar construïda.

Per a fabricar la cèl·lula solar, els investigadors van explorar primer els materials orgànics destinats a formar la capa fotoactiva de la cel.la frontal i la posterior. A continuació, van examinar l'efectivitat de tres mescles de components diferents per a la cel·la frontal, dissenyada per a captar els fotons d'alta energia. Finalment, es va triar per a aquesta cel·la frontal la mescla amb millor rendiment, denominada PM6:L8-BO. Per a la cel·la posterior, més opaca, els investigadors van decidir utilitzar la mescla PTB7-Th:O6T-4F, amb una banda prohibida més estreta, amb la capacitat d'absorbir els fotons de baixa energia que conformen la part infraroja de l'espectre solar.

Després de seleccionar els components, els investigadors van dissenyar l'estructura final del dispositiu aplicant un enfocament numèric. Per a això, van combinar el formalisme matricial amb la metodologia convencional de resolució inversa de problemes per tal d’identificar el rendiment òptim i la configuració final del dispositiu.

El disseny i la fabricació d'un elèctrode de plata transparent només 7nm de gruix va ser un pas clau d’aquesta investigació. L’elèctrode es va col·locar en la part posterior de la subcel.la frontal. Els autors de l’estudi recorden que els elèctrodes de plata convencionals utilitzats per a aplicacions de cèl·lules solars transparents tenen generalment un gruix d'entre 9 i 15nm.

La fabricació d'aquest elèctrode va requerir un control meticulós de les condicions de laboratori. L'elèctrode es va integrar dins de la cèl·lula solar al costat de tres capes dielèctriques de triòxid de tungstè (WO3) i de fluorur de liti (LiF). Aquesta estructura fotònica multicapa juga un paper crucial, ja que està situada entre les dues subcel.les i facilita una distribució de llum eficient i uniforme. "Aquesta estructura exhibeix una alta transmissió en el rang dels 750-1000 nm i una alta reflectivitat en el rang dels 500-700 nm", destaquen els investigadors en l’estudi.

"El desenvolupament d'un elèctrode intermedi de plata transparent és crucial per al funcionament eficient de la cèl·lula solar", explica Francisco Bernal, investigador de l’ICFO i primer autor de l'estudi. "Ha de presentar un equilibri delicat, sent prou transparent per a permetre que la llum arribi a la subcel.la posterior i, al mateix temps, mantenir una alta conductivitat elèctrica per a garantir el rendiment òptim de la de la cel·la frontal", afegeix Bernal. "Poder fabricar un elèctrode de només 7 nm sense detectar pèrdues en les cel·les transparents frontals és un avenç significatiu en el camp de les cèl·lules transparents".

Els investigadors van provar el rendiment fotovoltaic del dispositiu mitjançant un simulador solar sotmetent-lo a una il·luminació d'1 sol i van mesurar la seva eficiència quàntica. El dispositiu va aconseguir una eficiència de conversió de energia del 16,94%, que, segons expliquen els investigadors seria la més alta aconseguida fins ara per a una cèl·lula solar orgànica tàndem de quatre terminals. Els autors del treball recorden que el rècord actual oficial d'eficiència per a dispositius orgànics tàndem està situat en el 14,2% i l'eficiència de conversió d'energia per a tàndems orgànics de quatre terminals registrada és del 6,5%.

"La nostra recerca pot ser aplicada al desenvolupament de cèl·lules fotoelectroquímiques (PEC), abordant requisits elèctrics crucials com ara proporcionar el voltatge necessari per a impulsar la separació de les molècules d'aigua  o la reducció de CO₂, que es el que estem explorant  en el projecte SOREC2", explica el professor Jordi Martorell, investigador de l'ICFO i coordinador del projecte SOREC2. "La metodologia per al disseny i implementació de l'estructura tàndem de quatre terminals podria aplicar-se en el disseny de nous sistemes on una distribució adequada de la llum en els elements és crucial per al rendiment d'un dispositiu determinat".

Els investigadors actualment treballen en la millora de la metodologia i el disseny estructural adaptats per a determinades aplicacions, com ara els combustibles solars, on els dispositius tàndem tenen una àmplia aplicabilitat. En optimitzar la metodologia i les estratègies de disseny, els investigadors intenten alliberar el potencial d'aquests tipus de dispositius per a aprofitar l'energia solar en diferents processos de conversió d'energia sostenibles, com ara la conversió i valorització del CO₂.

El projecte SOREC2 és un projecte finançat per la Unió Europea que busca desenvolupar una nova tecnologia per a transformar directament la llum solar i el CO₂ en productes químics de valor afegit, permetent un emmagatzematge d'energia segur i eficient. El consorci desenvoluparà una nova cèl·lula fotoelectroquímica compacta alimentada per llum solar i un nou sistema catalitzador híbrid per a millorar la selectivitat cap als productes derivats (C₂).

Article original

Bernal-Texca, F; Martorell, J. (2024) Four-Terminal Tandem Based on a PM6:L8-BO Transparent Solar Cell and a 7nm Ag Layer Intermediate Electrode. Solar RRL. DOI: 10.1002/solr.202300728