Tecnología tándem perovskita-silicio: Una realidad comercial en 2025

En la última década el desarrollo de células solares ha estado influenciado marcadamente por los semiconductores llamados perovskitas híbridas. Estos materiales han provocado un ferviente interés en la comunidad científica debido a su facilidad de procesamiento y la alta eficiencia que promueven bajo diferentes condiciones de irradiación. Valores superiores al 24% se han publicado en el último año¹, mostrando ser un material muy competitivo con respecto al silicio monocristalino y tecnologías de capa delgada.

Desde el 2009 cuando las perovskitas salieron a la luz, se han venido realizando diversas optimizaciones sobre arquitecturas de dispositivos con este material híbrido que han incorporado otras tecnologías, entre ellas, células con capas mesoporosas [1] y planares [2], además, dispositivos multicapa llamados tándem [3]. La idea de usar 3 o 4 semiconductores de diferente band gap para absorber gran parte del espectro solar, desde el ultravioleta al infrarrojo lejano, no solo es característica en los dispositivos multiunión. Las arquitecturas tipo tándem con materiales de diferente naturaleza, llamadas tándem híbridas, han mostrado una mejor relación eficiencia/costo que las células multiunión con semiconductores III-V [4].  Es aquí donde entran a jugar un papel importante las células tándem de perovskitas.  Diferentes configuraciones han sido investigadas, abarcando células con capas delgadas de semiconductores de Cobre-Indio-Galio-Selenio (CIGS), Teluro de Cadmio (CdTe), celdas orgánicas (OPV) y silicio [5,6] (Figura 1a). Entre este conjunto de semiconductores, las arquitecturas texturizadas con perovskita y silicio monocristalino heterounión han mostrado los mejores valores de eficiencia certificada en dispositivos pequeños (1cm²) (Figura 1b), alcanzando 24% en el 2017 y 33.9% en el 2024 [7]. ¿Qué tipo de configuración ha permitido lograr estos altos valores eficiencia? Las arquitecturas tándem perovskita se dividen en 3 familias dependiendo del número de conexiones de salida del dispositivo fotovoltaico. Las células más eficientes a la fecha son las denominadas de dos terminales o 2T (Figura 2). Estos dispositivos funcionan como dos células en serie donde sus capas constituyentes se fabrican una sobre otra en un mismo sustrato. La optimización de estas células se ha orientado principalmente a través del acople de las corrientes individuales de cada sub-célula y pasivación de las interfaces entre sus materiales constituyentes. Como otras alternativas de dispositivos tándem de perovskitas están las arquitecturas de tres y cuatro terminarles (3T y 4T), siendo esta última la más fácil de fabricar debido a que cada célula se puede procesar separada y posteriormente se unen por medio de un encapsulante o adhesivo. Estos dispositivos suelen ser menos eficientes que las 2T, ya que en la interfaz entre las células individuales se puede perder radiación por reflexión y/o absorción debido al material que las une. Con respecto a las células 3T, se muestran como los dispositivos con mayor potencial de mejora de la eficiencia.  Simulaciones han mostrado que estos dispositivos podrían alcanzar valores de eficiencia muy cercanos al 40% sin depender en gran medida del band gap del material de perovskita que lo constituye [8]. Además, estudios complementarios se han enfocado en el diseño eléctrico de las conexiones entre las células constituyentes de paneles de gran formato, y con esto garantizar y justificar su uso comercial en los próximos años.

El 2024 no solo finaliza con eficiencias récord a pequeña escala para las células tándem. Empresas como Oxford PV y GCL han mostrado que la tecnología tándem perovskita – silicio puede ser fabricada a escala industrial con paneles de 1.7m² con una eficiencia certificada alrededor del 27% [9,10].  Los próximos años serán decisivos para esta tecnología. Confiabilidad, reproducibilidad y estabilidad serán los pilares que determinarán su éxito e inserción en el mercado fotovoltaico, que está viendo al mismo tiempo el surgimiento de nuevas tecnologías de silicio más competitivas y eficientes como las IBC (Interdigitated Back Contact).

Figura 1. a) Valores de eficiencia certificados para diferentes familias de células y arquitecturas (valores de eficiencia certificados por NREL). B) Dispositivo típico de una célula tándem perovskita-silicio.

Figura 2. Arquitectura de células tándem de perovskitas. Imagen adaptada de:  Sustainable Energy Fuels, 2019,3, 1439-1447

Referencias:

1. Zhao, Y., Nardes, A. M., & Zhu, K. (2014). Mesoporous perovskite solar cells: material composition, charge-carrier dynamics, and device characteristics. Faraday discussions, 176, 301-312.
2. Tan, H., Jain, A., Voznyy, O., Lan, X., García de Arquer, F. P., Fan, J. Z., … & Sargent, E. H. (2017). Efficient and stable solution-processed planar perovskite solar cells via contact passivation. Science, 355(6326), 722-726.
3. Li, H., & Zhang, W. (2020). Perovskite tandem solar cells: from fundamentals to commercial deployment. Chemical Reviews, 120(18), 9835-9950.
4. Li, Z., Zhao, Y., Wang, X., Sun, Y., Zhao, Z., Li, Y., … & Chen, Q. (2018). Cost analysis of perovskite tandem photovoltaics. Joule, 2(8), 1559-1572.
5. GREEN, Martin A., et al. Solar cell efficiency tables (Version 64). Progress in photovoltaics: research and applications, 2024, vol. 32, no 7, p. 425-441.
6. CHU, Qian-Qian, et al. Progress, challenges, and further trends of all perovskites tandem solar cells: A comprehensive review. Materials Today, 2023.
7. LIU, Jiang, et al. Perovskite/silicon tandem solar cells with bilayer interface passivation. Nature, 2024, vol. 635, no 8039, p. 596-603.
8. GILIBERTI, Gemma; CAGNONI, Matteo; CAPPELLUTI, Federica. Monolithic 3-terminal perovskite/silicon HBT-based tandem compatible with both-side contact silicon cells: a theoretical study. EPJ Photovoltaics, 2023, vol. 14, p. 37.
9. GCL says perovskite solar module passes silicon degradation tests. (2024, June 20). Pv Magazine International. https://www.pv-magazine.com/2024/06/20/gcl-says-perovskite-solar-module-passes-silicon-degradation-tests/
10. Norman, W. (2024, September 5). Oxford PV ships first commercial perovskite tandem modules. PV Tech. https://www.pv-tech.org/oxford-pv-ships-first-commercial-perovskite-tandem-modules/