Las fuentes no renovables de energía (petróleo, carbón y gas natural) representan el 88 por ciento de la oferta primaria de energía en el mundo. No obstante, estos recursos son limitados y la creciente demanda de energía apunta a una crisis energética. Para enfrentar el reto de generar energía de manera sustentable, investigadores del Instituto de Física de la BUAP (IFUAP) buscan materiales emergentes, de amplia disponibilidad y de nula toxicidad para aplicar en tecnologías fotovoltaicas.
Mou Pal, líder del Cuerpo Académico 250 “Materiales Avanzados” y responsable técnico de este proyecto, indica que por sus propiedades ópticas y electrónicas el sulfuro de cobre bismuto, Cu3BiS3, es considerado como candidato emergente y sostenible para su uso como material absorbente en celdas solares de película delgada. Sin embargo, este material aún no es muy explorado y actualmente existe poca investigación para conocer sus propiedades físicas a mayor profundidad. Así, surgió la idea de iniciar este proyecto a finales de 2018.
El compuesto Cu3BiS3 es un mineral que se encuentra en las minas de Wittichen, Baden, Alemania, por lo que recibe el nombre de Wittichenite. Se encuentra formado por cobre (Cu), bismuto (Bi) y azufre (S), los cuales son abundantes y no tóxicos. Además, es un compuesto absorbente de radiación solar en celdas fotovoltaicas, debido a sus propiedades semiconductoras similares a los materiales absorbentes utilizados en celdas comerciales.
La doctora Pal, nivel I del Sistema Nacional de Investigadores del Conacyt, señala que para obtener este compuesto “nos dimos a la tarea de sintetizar este material en forma de película delgada, mediante un método químico de bajo costo y un tratamiento térmico posterior de apilamiento de dos películas delgadas que son sulfuro de bismuto y sulfuro de cobre”.
Mediante el uso de varias técnicas experimentales de caracterización, agrega, se llegó a la conclusión que el material sintetizado se encuentra en fase pura y su composición química es la adecuada, por lo tanto, cumple con los criterios básicos para utilizarlo como capa activa en celdas solares.
Posteriormente, se llevó a cabo una serie de caracterización de las propiedades ópticas, estructurales y eléctricas para evaluar su empeño en celdas solares mediante un modelo computacional. “Con nuestros resultados experimentales iniciamos el estudio preliminar de simulación numérica de celdas solares, para determinar el mejor diseño para una celda solar que utilice Cu3BiS3 como capa absorbente de radiación solar”.
El estudio teórico (simulación numérica de heterouniones) lleva un avance significativo. “Considero que el estudio teórico es muy relevante, ya que uno puede estimar el desempeño del dispositivo y proponer modificaciones en el diseño de la celda antes de fabricarla, lo cual reduce el costo, tiempo y evita alguna falla técnica durante su operación”. La siguiente fase de esta investigación será la parte experimental que involucra la fabricación del dispositivo y su optimización.
Con los resultados del presente estudio, Mou Pal, doctora en Ciencia de Materiales por la Universidad Autónoma del Estado de Morelos, asegura mostrar a la comunidad científica una metodología para sintetizar películas delgadas de Cu3BiS3 libres de fases secundarias; así como exponer una propuesta de configuración de esta celda solar, la cual fue obtenida mediante simulación numérica.
En este proyecto participan también la maestra Denisse Loeza Díaz, egresada del IFUAP; David Mora Herrera, estudiante de doctorado de esta unidad académica; así como los doctores Jesús Capistrán Martínez, investigador postdoctoral PRODEP del IFUAP, y Felipe Pérez Rodríguez, miembro del Cuerpo Académico 250.
