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Estudio de la Electrodeposición de Semiconductores Tipo-p de bajo costo para aplicaciones en Dispositivos Fotovoltaicos

El actual escenario mundial que nos obliga a la reducción del consumo de combustible y a la utilización de nuevas fuentes de energías renovables, ha incentivado el desarrollo de diversos estudios centrados en la elaboración de celdas fotovoltaicas cada vez más eficientes, menos costosas y más amigables con el medio ambiente.

El profesor de la Escuela de Ingeniería Química, Dr. Marcelo León, ha trabajado a lo largo de su formación profesional en una línea de investigación basada en la electrodeposición de semiconductores tipo-p, materiales utilizados para la elaboración de dispositivos solares fotovoltaicos. “Estos materiales los he sintetizado a través de la técnica de electrodeposición, la cual consiste en depositar desde una disolución o electrolito especies sobre un electrodo, a través de la incorporación de corriente eléctrica al sistema”, sostiene.

 Las pequeñas celdas elaboradas por el profesor y Doctor en Química, están compuestas de materiales de baja toxicidad, como el cobre (Cu) y el zinc (Zn), los que son abundantes en la corteza terrestre y, por lo tanto, suelen ser menos costosos. “Además, los métodos empleados para la deposición de los materiales, también se desarrollan a través de técnicas que involucran un bajo consumo de energía y que tienden a ser económicos, ya que trabajan a bajas temperaturas, inferiores a 100ºC; en comparación a las celdas de silicio (Si), que para llegar a depurar el material se necesitan procesos a temperaturas muy elevadas”, señala el Dr. León.

Luego de trabajar en su investigación de Doctorado con materiales como el óxido de zinc (ZnO), óxido cuproso (Cu₂O) y tiocianato de cobre (CuSCN), el académico decidió postular una nueva línea con un material tipo-p, entendiendo que para la elaboración de las celdas solares se requiere como mínimo de dos semiconductores, uno tipo-n y otro tipo-p unidos, siendo la síntesis de este último parte fundamental de su investigación.

De este modo, el profesor pretende continuar su investigación, utilizando materiales tipo kesteritas en base a Cu-Zn-Sn-S/Se, los cuales son materiales tipo-p capaces de absorber la energía proveniente del sol y realizar transiciones electrónicas dentro del elemento, y así utilizar esos electrones para conducirlos a través del material tipo-n hacia el circuito eléctrico externo y poder accionar, por ejemplo, algún dispositivo electrónico.

Cabe destacar, que los materiales semiconductores tipo-n tiene una conductividad distinta al material tipo-p. En este caso, los portadores mayoritarios que tiene este material tipo-n van relacionados a la presencia de electrones. En cambio, los materiales tipo-p están relacionados a la ausencia de ellos. “Cuando unimos dos materiales semiconductores con distinta conductividad se crea un campo eléctrico dentro de una zona muy cercana a la unión. Luego que la luz incide sobre la celda solar, se logran excitar ciertos electrones y por acción del campo eléctrico formado, éstos finalmente son dirigidos a través del circuito eléctrico externo logrando ser aprovechados”, señala el académico.

Los continuos estudios en este ámbito tienen como objetivo hacer que estas celdas vayan aumentando sucesivamente su eficiencia a través del tiempo, ya que se van encontrando nuevas formas de sintetizar este tipo de materiales, uniendo cada una de las capas y analizando lo que sucede en la interfaz.

“La situación más compleja de este trabajo se da en las interfases entre materiales, al depositar una capa sobre otra, siempre teniendo como objetivo buscar la mayor eficiencia que ese sistema podría entregar y no perderla producto de una baja calidad de las interfases. En este sentido, la calidad de las capas y uniones, dependen de los materiales utilizados y también de los métodos y condiciones de síntesis en el laboratorio”, añade el investigador.

De esta forma, para aumentar la eficiencia y bajar los costos, es necesario trabajar con pequeñas cantidades de materiales. “Las celdas de silicio trabajan con obleas gruesas, en el orden de los milímetros. En mi estudio, en cambio, trabajo con capas semiconductoras depositadas con espesores en el orden de cientos de nanómetros o micras; es decir, se requiere de muy poca cantidad de material”.

Sin embargo, el investigador añade que para que estas celdas lleguen a ser comerciales deben competir desde el punto de vista económico y de la eficiencia alcanzada, con respecto a los dispositivos que están actualmente gobernando el mercado. Piensa que en el futuro estas celdas de nuevas generaciones podrían llegar a tener eficiencias mucho mayores o ser más competitivas.

En el caso del silicio, que es el material más usado en la elaboración de dispositivos fotovoltaicos, el profesor León indica que, desde su irrupción en la década del 50 hasta el día de hoy, las celdas fabricadas con este material ya han alcanzado eficiencias comerciales de entre el 15% y el 20%, mientras que en pruebas de laboratorio están logrando el límite de eficiencia que se puede obtener en celdas de silicio de unión simple, que es cercano al 33%,.

“Mi trabajo trata de una investigación aplicada que apunta a la síntesis de materiales semiconductores para aplicaciones en dispositivos fotovoltaicos, utilizando materiales abundantes de bajo costo, técnicas de fabricación económicas y de bajo impacto medioambiental”, explica el académico.

Cabe destacar que, este Proyecto de Investigación DI Emergente 2021 “Confección de celdas solares fotovoltaicas de película delgada multicapa en estado sólido y en base a películas absorbentes de Cu2XSnS4, utilizando materiales abundantes no tóxicos y técnicas de deposición limpias de bajo costo“, fue adjudicado recientemente, por lo que se comenzará a ejecutar durante las próximas semanas.