La degradación de la eficiencia es un problema importante asociado con las células solares de sulfuro de cadmio/monosulfuro de estaño (CdS/SnS) y dificulta su aplicación práctica. Un formulario de papel de la Revista de Aleaciones y Compuestos aborda este problema mediante la manipulación de las propiedades fotovoltaicas de una célula solar CdS/SnS utilizando el efecto plasmónico de nanopartículas de plata y oro.
Estudio: Superación del rendimiento deficiente de las células solares n-CdS/p-SnS mediante el efecto plasmónico de las nanopartículas de oro y plata. Crédito de la foto: luchschenF/Shutterstock.com
Desarrollo de la tecnología de celdas solares: una visión general
Los investigadores se están concentrando en la producción de nuevas sustancias con alta absorción de fotones para su uso en células fotovoltaicas de película delgada. La tecnología de celdas solares es una excelente e innovadora fuente de energía, y el campo está en constante y rápido desarrollo en todo el mundo.
Muchos semiconductores como el telurio, el indio y el galio tienen buenas propiedades fotovoltaicas y una alta eficiencia de conversión de energía (PCE), lo que los convierte en materiales ideales para la tecnología de celdas solares de próxima generación. Sin embargo, la citotoxicidad del telurio y la falta de recursos naturales de galio e indio limitan severamente su aplicabilidad para fabricar una celda solar de bajo costo.
Células CdS/SnS: El futuro de la tecnología de células solares
La celda solar de sulfuro de cadmio/monosulfuro de estaño (CdS/SnS) es un dispositivo fotovoltaico emocionante con propiedades electrónicas notables. La combinación de monosulfuro de estaño tipo p y sulfuro de cadmio tipo n ha recibido recientemente una atención significativa para las aplicaciones de almacenamiento de energía debido a su flexibilidad y facilidad de fabricación.
El monosulfuro de estaño (SnS) es un semiconductor de tipo p no tóxico y de bajo costo con brechas fotovoltaicas tanto directas como indirectas. SnS tiene buenas propiedades eléctricas y ópticas, incluidos altos coeficientes de absorción, alto transporte de carga y tasas mínimas de recombinación. Además, las propiedades mecánicas y eléctricas de las películas delgadas de SnS se pueden ajustar al proceso de deposición, lo que las convierte en un material adecuado para la fabricación de células solares de bajo costo.
Por otro lado, el sulfuro de cadmio (CdS) es un material único con una banda prohibida de energía dependiente de la estructura que se usa ampliamente en sistemas fotoeléctricos y de fotodetección. La eficacia de CdS se deriva de su capacidad de ajuste del espectro, la longitud de difusión del portador y su excelente actividad fotocatalítica. Además, no se puede pasar por alto el papel de CdS en la pasivación de capas p implantadas en muchos dispositivos optoelectrónicos.
Un enfoque novedoso para aumentar la eficiencia de las células solares CdS/SnS
Las heteroestructuras CdS/SnS tienen poca actividad fotocatalítica debido a anomalías de afinidad electrónica, desarrollo de fase secundaria e incompatibilidad del espesor de la película. Además, los desequilibrios de energía entre la banda de valencia y la banda de conducción de SnS y CdS reducen la resistencia de derivación de la celda solar CdS/SnS y la vida útil del portador.
La resonancia plasmónica superficial es un método efectivo y eficiente para aumentar las propiedades de absorción de la capa activa recubierta y la eficiencia general de la celda solar CdS/SnS. Las vibraciones superficiales plasmónicas localizadas asociadas con el campo electromagnético incidente aumentan la sección transversal de absorción al atrapar la luz incidente en la región activa y permitir la segregación de portadores.
Debido a su absorción plasmónica sintonizable y su naturaleza libre de óxido, las nanoestructuras de plata y oro son los componentes más utilizados en dispositivos optoelectrónicos avanzados plasmónicos y sistemas de células solares.
Aspectos destacados del estudio actual
En este estudio, los investigadores mejoraron la eficiencia fotovoltaica de una célula solar de heterounión CdS/SnS recubriéndola por rotación con nanopartículas de plata y oro. Los investigadores también estudiaron cómo las nanopartículas de plata y oro afectan las propiedades físicas, eléctricas y fotónicas de la celda solar CdS/SnS.
Los estudios cristalográficos del CdS, SnS depositado y la célula solar de heterounión con y sin decoración de nanopartículas se realizaron mediante la técnica de difracción de rayos X. La morfología de las capas de heterounión y la distribución de las nanopartículas se evaluó mediante un microscopio electrónico de barrido (SEM).
Hallazgos importantes
Los investigadores encontraron una influencia pronunciada de las nanopartículas de plata y oro en el rendimiento de absorción y la eficiencia general de la celda solar CdS/SnS. Las nanopartículas de oro mejoraron la eficiencia de la celda solar virgen CdS/SnS de 0,022-0,066 % a 0,436-0,51 %, mientras que la celda decorada con nanopartículas de plata logró una eficiencia aún mejor de 2,507-4,363 %.
Esta mejora se logra porque la actividad plasmónica de las nanopartículas aumenta la concentración de portadores de carga fotoinducidos en la heteroestructura CdS/SnS al mejorar los eventos de absorción e inhibir los eventos de recombinación. Las eficiencias logradas en este trabajo establecieron un nuevo punto de referencia para las células fotovoltaicas basadas en CdS/SnS, convirtiéndolas en un competidor viable en la industria de células solares y fotodiodos.
Relación
El-Mahalawy, AM et al. (2022). Superación del bajo rendimiento de las células solares n-CdS/p-SnS mediante el efecto plasmónico de nanopartículas de oro y plata. Revista de Aleaciones y Compuestos. Disponible en: https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S0925838822028754?via%3Dihub
