Una célula solar triple de Suiza se rompe por primera vez en un 30 por ciento

Cada célula solar actúa contra un problema fundamental: la luz solar se compone de fotones con energías muy diferentes, pero un semiconductor sólo puede utilizar de manera eficiente una pequeña parte de ellos. Los fotones con muy poca energía penetran en el material no utilizado. Los fotones con demasiada energía liberan el exceso en forma de calor. Esta desproporción da como resultado un límite superior teórico, que se sitúa en torno al 29 por ciento para una sola capa de silicio y que en la práctica se alcanzó en torno al 26,7 por ciento. La solución es apilar varios semiconductores con diferentes bandas prohibidas uno encima del otro. La capa superior absorbe la luz azul de onda corta y deja pasar el resto, la capa inferior capta el siguiente rango espectral. Dos capas apiladas forman una célula solar en tándem, tres capas forman una célula solar triple. El alcance teórico aumenta con cada situación, pero la implementación práctica también aumenta en dificultad.

La razón está en el cableado. Las capas están conectadas en serie, por lo que la corriente parcial más débil determina la corriente total, al igual que el eslabón más débil de una cadena. Por lo tanto, todas las capas deben entregar exactamente la misma cantidad de corriente, lo que requiere una coordinación precisa del espesor de las capas y las bandas prohibidas. También hay un problema material. Las clásicas pilas de alto rendimiento fabricadas con semiconductores III-V alcanzan hasta el 37 por ciento, pero cuestan mil veces más por vatio que las células terrestres y, por tanto, están reservadas para los viajes espaciales. Las perovskitas se consideran una alternativa rentable porque pueden depositarse como películas delgadas a bajas temperaturas y su banda prohibida se puede ajustar mediante la composición química. Sin embargo, hasta el momento las pérdidas se han acumulado en tres localidades. Una comparación con una célula tándem de silicio y perovskita, que ya ha alcanzado más del 30 por ciento, muestra hasta qué punto se ha puesto el listón muy alto.

Dos vulnerabilidades y tres intervenciones

Los investigadores del Laboratorio de Electrónica Fotovoltaica y de Película Delgada de la EPFL y del centro de investigación suizo CSEM apuntaron a los dos puntos más débiles de la pila. Según el trabajo del autor principal, Kerem Artuk, publicado en Nature, la capa superior de perovskita sufrió un voltaje demasiado bajo, mientras que la capa intermedia generó muy poca corriente. Para combatir el problema del estrés, el equipo utilizó una molécula que dirige el crecimiento de la perovskita durante la cristalización y al mismo tiempo satura los defectos en los límites de los granos. De lo contrario, los portadores de carga se recombinarán prematuramente y se perderán en el flujo de corriente. Después del tratamiento, la capa superior entrega 1,4 voltios bajo la luz solar, un valor alto para esta clase de material. Para combatir el problema actual, los investigadores desarrollaron un nuevo proceso de fabricación de tres etapas para la celda intermedia que mejora su grabación en el infrarrojo cercano.

El truco con el espejo incorporado

La tercera intervención se refiere a la gestión de fotones y parece casi banal a primera vista. El equipo colocó nanopartículas hechas de óxido de silicio entre la celda inferior de silicio y la capa media de perovskita. Estas partículas dispersan la luz que no llegó a la celda del medio en el primer paso hacia arriba, donde tiene una segunda oportunidad de ser absorbida. En lugar de hacer la capa más gruesa, lo que habría generado nuevas pérdidas, el difusor simplemente amplía la trayectoria óptica de la luz en el componente. La corriente adicional en la celda intermedia aumenta la corriente total del circuito en serie. El resultado es una eficiencia certificada independientemente del 30,02 por ciento, probada en el Instituto de Microsistemas y Tecnología de la Información de Shanghai. El mejor valor anterior para este tipo, establecido por un equipo de la Universidad Nacional de Singapur, fue del 27,1 por ciento. En otros lugares también se mejoran los rendimientos mediante la física y no mediante nuevos materiales, por ejemplo con un revestimiento de hidrogel para enfriar los módulos solares.

Por qué escalar es más importante que el récord

Los valores récord del laboratorio a menudo implican muestras del tamaño de un sello postal y luego vuelven a desaparecer. Por lo tanto, el punto crucial de este trabajo va más allá del número. El equipo fabricó la pila no sólo en un centímetro cuadrado, sino también en 4 y 54 centímetros cuadrados, demostrando así que los procesos se pueden ampliar y son fundamentalmente compatibles con los pasos de producción industrial. En el proyecto participaron el Fraunhofer ISE, la Universidad de Friburgo, el Centro Helmholtz de Berlín y la Universidad de Potsdam. El director del laboratorio, Christophe Ballif, se refiere al avance desde la primera demostración en 2018, que fue del 13 por ciento, y cree que con las células triples se puede alcanzar a largo plazo mucho más del 40 por ciento. La experiencia con los mejores valores anteriores muestra lo lejos que queda para pasar de una eficiencia récord en el laboratorio a un módulo asequible.

Lo que todavía falta ahora

El lado abierto de la tecnología se llama durabilidad. Las perovskitas son sensibles a la humedad, el oxígeno, el calor y la radiación ultravioleta, y un panel solar debe durar de dos a tres décadas en un tejado. Para este tipo de diseño todavía no existen datos fiables a largo plazo sobre un período de tiempo así, y es precisamente aquí donde se decide si el valor de laboratorio se convierte en un producto. El líder del equipo EPFL, Christian Wolff, menciona con seriedad los próximos pasos: ampliación junto con el socio CSEM, pruebas de envejecimiento e integración en futuros productos comerciales. El atractivo económico sigue siendo considerable. China domina la producción en masa de módulos convencionales, mientras que la fuerza de los institutos suizos y alemanes reside en los materiales y los procesos. Obtener más electricidad del mismo tejado o fachada cuenta siempre que el espacio es escaso y caro, y esta ventaja crece con cada punto porcentual.

Naturaleza, células solares de triple unión con gestión mejorada de portadores y fotones; doi:10.1038/s41586-026-10385-y