El potencial de los nitruros como absorbentes eco-amigables para la próxima generación de células solares de capa delgada

Autores: Susana Mª Fernández Ruano. Mª Isabel Rodríguez-Tapiador. LAMDE. DEPARTAMENTO DE ENERGÍA. CIEMAT.

Uno de los retos a los que se enfrenta la sociedad actual es el desarrollo de nuevas tecnologías que permitan generar y almacenar energía de manera segura, sostenible y limpia. La investigación en dicha temática resulta esencial para luchar contra las subidas del precio de la energía y las posibles interrupciones de su suministro. Concretamente, la investigación en energías renovables, y en particular, en fotovoltaica, juega un papel muy relevante para poder reducir la dependencia energética y acelerar su disponibilidad, así como disponer de un medioambiente más limpio [1]. Bajo este escenario, la Hoja de Ruta Tecnológica Internacional (ITRV) para la fotovoltaica se focaliza estratégicamente en el reciclaje/diseño, considerados claves para impulsar su competitividad. En este sentido, el uso de materias primas de bajo impacto medioambiental y de tecnologías de fabricación más eficientes, se identifican con prioridad alta a corto y largo plazo [2]. De acuerdo con los planes estratégicos de la Unión Europea, la Hoja de Ruta para la gestión sostenible de Materias Primas Minerales, recoge la necesidad de garantizar el suministro de materias primas de forma sostenible y eficiente. Además, la transición hacia la neutralidad climática no debería suponer el reemplazo de la dependencia en combustibles fósiles de terceros países por la dependencia en otras materias primas [3]. En este sentido, el desarrollo de nuevos materiales absorbentes con carácter sostenible va a ser fuertemente impulsado en los próximos años en el sector de la fotovoltaica.

Bajo estas premisas, el departamento de Energía del CIEMAT, y más concretamente, el “Laboratorio de Materiales y Dispositivos para aplicaciones Energéticas” (LAMDE), está colaborando estrechamente con grupos de investigación de la Universidad Politécnica de Cataluña (UPC), la Universidad de Barcelona (UB) y el Centro Láser (CL) de la Universidad Politécnica de Madrid, dentro del marco del proyecto SCALED (“Selective Contacts and Active Layers for Energy Devices”) del Programa Estatal de I+D+i, orientado a los Retos de la Sociedad [4]. Una de las finalidades de este proyecto es buscar materiales absorbentes alternativos al silicio, focalizando la búsqueda en materiales de bajo coste que sean amigables con el medioambiente y que estén basados en materias primas no críticas. Aquí entran en juego los nitruros metálicos de transición, despertando un gran interés debido al gran potencial que presentan para la fabricación de dispositivos con aplicaciones eléctricas, ópticas y/o magnéticas. Concretamente, el nitruro de cobre (Cu₃N) es un material semiconductor metaestable que muestra excelentes características optoelectrónicas, modificables dependiendo de la técnica de fabricación y de las condiciones empleadas, y que vienen determinadas por su estructura cúbica anti-ReO₃(Fig.1). Por todo ello, este material puede considerarse como un candidato perfecto [5].

Figura 1. Estructura anti-ReO₃ propia del Cu₃N

En este sentido, el grupo de investigación de LAMDE, en colaboración estrecha con la UB, ha publicado los primeros resultados de la caracterización de láminas delgadas de Cu₃N [6,7], que señalan sus excelentes propiedades como material absorbente. Estas láminas se fabrican a temperatura ambiente sobre vidrio utilizando el método físico de pulverización catódica reactiva. En este proceso, el gas empleado es exclusivamente nitrógeno, a presiones en torno a 3.5 Pa, que reacciona directamente con los átomos de cobre procedentes del blanco metálico. Cabe destacar que las condiciones empleadas en el proceso de fabricación de las láminas delgadas de Cu₃N suponen un impacto directo sobre el ahorro energético y la reducción de costes de producción, en comparación con las técnicas convencionales de fabricación de silicio, que, en la actualidad, es el absorbente por excelencia. Los resultados obtenidos, resumidos en la Figura 2, muestran un material con una morfología típica, ligeramente columnar, con tamaños de grano superiores a 35 nm, la mayoría orientados en la dirección del plano (100), y superficies muy planas, con rugosidades inferiores a 3 nm. Por otro lado, la caracterización óptica nos revela un valor de absorbancia superior a 0.9 y unas energías de gap directo e indirecto de 2.28-1.21 eV, dentro de los márgenes requeridos para ser utilizado como absorbente solar. Esto es el inicio de un camino muy esperanzador, con datos muy prometedores y con un objetivo claro de emplear este material, en un futuro muy cercano, como absorbente solar en tecnologías fotovoltaicas emergentes, reportando una tecnología más sostenible y rentable.

Figura 2. Resumen de los resultados obtenidos de la caracterización de láminas delgadas de Cu₃N fabricadas por pulverización catódica reactiva en condiciones de bajo impacto medioambiental.

Referencias:

[1] https://www.consilium.europa.eu/es/policies/energy-prices-and-security-of-supply/
[2] https://etip-pv.eu/news/other-news/international-technology-roadmap-for-photovoltaic-itrpv-r-d-findings-from-the-13th-edition/
[3] https://ec.europa.eu/growth/sectors/raw-materials/policy-and-strategy-raw-materials/sustainable-supply-raw-materials-eu-sources_en
[4] www.scaled-project.com
[5] Jiang, A.; Qi, M.; Xiao, J., Preparation, structure, properties, and application of copper nitride (Cu 3 N) thin films: A review. Journal of Materials Science & Technology 2018, 34, (9), 1467-1473. DOI: 10.1016/j.jmst.2018.02.025
[6] Figueira, C.A.; Rosario, G.D.; Pugliese, D.; Rodríguez-Tapiador, M.I.; Fernández, S. Materials 2022, 15, 8973. DOI: 10.3390/ma15248973
[7] Rodríguez-Tapiador, M.I.; Merino, J.; Jawhari, T.; Muñoz-Rosas, A.L.; Bertomeu, J.; Fernández, S. Impact of the RF Power on the Copper Nitride Films Deposited in a Pure Nitrogen Environment for Applications as Eco-Friendly Solar Absorber. Materials 2023, 16, 1508. DOI: 10.3390/ma16041508

Otros socios del proyecto:

Micro and Nanotechnology Group, Universitat Politècnica de Catalunya (UPC).
Solar Energy Group, Universitat de Barcelona (UB).
Centro Láser, Universidad Politécnica de Madrid (CL-UPM).

Contacto:

Susana Mª Fernández Ruano, Mª Isabel Rodríguez-Tapiador, Departamento de Energía, CIEMAT.
E-mail: susanamaria.fernandez@ciemat.es; mariaisabel.rodriguez@ciemat.es