Análisis numérico de la captura de luz en celdas solares de perovskitas orgánicas-inorgánicas mediante nanotubos de ZnO

HEFFNER, HERMAN; SOLDERA, MARCOS M.

Neuquén

Workshop; XIII Taller de Óptica y Fotónica (TOPFOT); 2017

Red Argentina de Laboratorios de Óptica y Fotónica / Universidad Nacional del Comahue

Los objetivos de la investigación y desarrollo de la energía fotovoltaica es aumentar la eficiencia de las celdas solares en términos energéticos y reducir los costos de producción a gran escala. En el año 2009 comenzaron a surgir celdas solares delgadas basadas en perovskitas híbridas. Al inicio lograron una eficiencia de 4% y para el año 2016 alcanzaron el 22.1%, transformando a esta tecnología en la de mayor innovación en años recientes. Una vía para continuar aumentando su eficiencia, y por lo tanto disminuyendo los costos de generación de energía fotovoltaica, es mejorar la absorción de la radiación solar a través de la incorporación de técnicas de captura de luz utilizando nanoestructuras capaces de difractar y dispersar la luz incidente.En el presente trabajo se propone estudiar numéricamente técnicas de captura de luz para celdas solares de perovskita a través de la implantación de nanotubos de óxido de zinc que, no solo aumentan la eficiencia, sino que también reducen costos de producción. Para ello, se utilizará un software comercial de elementos finitos para resolver las ecuaciones de Maxwell y obtener la fotocorriente en condiciones de cortocircuito y asumiendo transporte de portadores ideal. Los parámetros de diseño a estudiar son la densidad de nanotubos, sus alturas y anchos o volumen de perovskita.Los resultados de las simulaciones reflejan que las celdas nanoestructuradas entregan fotocorrientes similares a las que entregan las celdas planas aunque permiten un importante ahorro de material semiconductor, lo cual impactaría considerablemente en los costos finales de fabricación. Específicamente, incluir nanotubos de 300 nm de largo y 30 nm de ancho con una separación de 150 nm ha logrado un ahorro de 17% de perovskita a costa de un 9% de fotocorriente. Mientras que para un nanotubo de 100 nm de ancho, manteniendo las demás características, se obtiene una reducción del 57% del volumen de perovskita a costa de 22% de fotocorriente. Además, es importante destacar que las celdas nanoestructuradas suelen ser más eficientes que las celdas planas al bajo incidencia oblicua lo cual se asemeja a las condiciones de operación de celdas solares reales. Por ejemplo, variando el ángulo de incidencia entre 0º y 80º la celda nanoestructurada con tubos de 30 nm de ancho logró una fotocorriente acumulada 11% mayor a la celda plana.