Los investigadores de IBM han incrementado la eficiencia en más de un 40 por ciento de un novedoso tipo de célula solar hecha principalmente de materiales abundantes y de bajo coste. Según un artículo publicado esta semana en la revista Advanced Materials, la nueva eficiencia es de un 9,6 por ciento, en comparación con el récord anterior de 6,7 por ciento de este tipo de célula solar, y cercana al nivel necesario para los paneles solares comerciales. Las células solares de IBM también poseen la ventaja de estar hechas con un proceso de bajo coste y basado en tinta.

Las nuevas células solares convierten la luz en electricidad utilizando un material semiconductor hecho de cobre, zinc, estaño y azufre—todos ellos elementos abundantes—así como selenio, un elemento relativamente poco frecuente (CZTS). Alcanzar niveles de eficiencia que rayan en lo comercial es “un hito para esta tecnología,” afirma Matthew Beard, científico senior en el Laboratorio Nacional de Energía Renovable, y que no estuvo involucrado en el proyecto.

Las células solares de IBM podrían ser una alternativa a las células solares de “película fina” existentes. Las células solares de película fina utilizan materiales particularmente buenos a la hora de absorber la luz. El fabricante líder de películas finas utiliza un material que incluye el telurio, un elemento muy poco frecuente. Daniel Kammen, director del Laboratorio de Energía Renovable y Apropiada en la Universidad de California, Berkeley, afirma que la presencia del telurio podría limitar el total de electricidad que estas células serían capaces de producir debido a su poca disponibilidad. Aunque la demanda total de electricidad probablemente alcanzará las docenas de teravatios (billones de vatios) durante las próximas décadas, las células de película fina probablemente se limitarán a producir alrededor de 0,3 teravatios, según un estudio que él publicó el año pasado. Por el contrario, las nuevas células de IBM podrían producir un orden de magnitud más de potencia.

Las nuevas células también podrían tener ventajas en comparación con las células hechas de CIGS (cobre indio galio selenio), que están empezando a llegar al mercado. Esto se debe a que el indio y el galio en estas células hacen que aumente el precio, y aunque el selenio utilizado en las células de IBM es menos frecuente que el indio o el galio, su coste es diez veces menor.

Un nuevo proceso de manufactura basado en tinta soluciona algunos de los problemas principales a la hora de fabricar células CZTS eficientes. Un método común para fabricar cualquier tipo de material solar de alta calidad consiste en disolver una sustancia precursora en un disolvente. Esto no es posible con las células CZTS porque los componentes de zinc necesarios en las nuevas células no son solubles. Para solventar este problema, los investigadores usaron una combinación de materiales disueltos y partículas suspendidas, creando una tinta parecida a una lechada que después puede extenderse sobre una superficie que haya sido tratada con calor para producir los materiales finales. Las partículas evitan que el material se raje y se pele durante la evaporización del disolvente.

Los investigadores de IBM también están investigando formas de mejorar la eficiencia de las nuevas células solares, con el objetivo de alcanzar alrededor de un 12 por ciento en el laboratorio—lo suficientemente alto como para la dar confianza a los fabricantes de que podrían ser producidas en masa y aún así tener niveles de eficiencia de alrededor de un 10 por ciento, afirma David Mitzi en IBM Research, que además dirigió el trabajo. Beard recomienda tener como objetivo un 15 por ciento en el laboratorio, y Mitzi señala que esto debería ser posible mediante la mejora de otras partes de la célula solar además del material CZTS principal, o mediante el dopaje del semiconductor con otros oligoelementos (lo que resulta fácil con el proceso basado en tinta).

Es más, las células comerciales probablemente usen distintos materiales para conducir electrones. Las células experimentales usaban óxido de indio estaño, que se ve limitado por la disponibilidad del indio. Sin embargo Mitzi afirma que existen otro tipo de conductores que también podrían funcionar.

Uno de los principales siguientes pasos es reemplazar completamente el selenio en las células solares con azufre. Para las células que lograron batir el récord de eficiencia, los investigadores reemplazaron la mitad del selenio utilizado en una célula experimental anterior. Si todo el selenio pudiese ser reemplazado, las células podrían, en teoría, proporcionar toda la demanda de energía del mundo. (Siempre y cuando haya formas apropiadas de almacenar y redistribuir la energía para el uso nocturno o durante los días nublados.)

El nuevo tipo de célula solar tendrá varios competidores, afirma Beard. Por ejemplo, el silicio no cristalino es más barato de fabricar que el silicio cristalino, y la eficiencia de las células resultantes está mejorando. Los investigadores también están encontrando formas de usar grados de silicio cristalino menos caros, y la producción a gran escala ha reducido el coste general de producción de este tipo de células, lo que hace difícil que los nuevos materiales solares ganen presencia.