Regulación de la cinética de la reacción hidrotermal con sulfuro de sodio para células solares certificadas Sb2(S,Se)3 con 10,7 % de eficiencia

Materiales solares más inteligentes para un futuro más limpio

Los paneles solares son cada vez más baratos y comunes, pero cada punto porcentual adicional de eficiencia sigue siendo importante para reducir las emisiones de carbono y bajar el coste de la energía. Este estudio se centra en un nuevo tipo de material solar formado por elementos abundantes —antimonio, azufre y selenio— y muestra cómo afinar con cuidado un proceso de crecimiento acuoso y de baja temperatura puede extraer más potencia de células solares ultrafinas. Al entender y guiar la química dentro de un reactor de agua caliente sellado, los investigadores llevan estos dispositivos ecológicos a una eficiencia certificada del 10,7 %, a la vez que descubren reglas de diseño que pueden ayudar a futuras tecnologías solares en tándem e integradas en edificios.

Una capa solar prometedora, delgada y respetuosa con la Tierra

El material solar en el centro de este trabajo, llamado selenosulfuro de antimonio, resulta atractivo porque absorbe la luz de manera extremadamente eficiente: una capa de solo unos pocos cientos de nanómetros de espesor —mucho más fina que un cabello humano— puede capturar la mayor parte de la luz incidente. Su “banda prohibida” afinable puede ajustarse cambiando la proporción de azufre a selenio, lo que lo convierte en buen candidato para apilarlo sobre silicio en células solares en tándem que superen los límites de eficiencia de los diseños monocapa actuales. Igual de importante, puede fabricarse a temperaturas relativamente bajas a partir de solución, usando elementos comunes en lugar de metales escasos o tóxicos. Esa combinación de fuerte absorción, afinabilidad y facilidad de manufactura ha situado a este material como favorito para la próxima generación de películas solares delgadas.

Cuando la química rápida crea obstáculos ocultos

Para crecer estas películas absorbentes de luz, muchos grupos de investigación usan un método hidrotermal: un vidrio recubierto con una fina capa “semilla” se coloca en un recipiente forrado de Teflón lleno de agua y sales disueltas, y luego se calienta para que se formen cristales en la superficie. En condiciones estándar, la fuente de antimonio y una sal que contiene azufre reaccionan con facilidad, mientras que el selenio procedente de una molécula orgánica añadida se libera de forma repentina en un estallido. El equipo muestra que esta oleada de selenio enriquece la base de la película en selenio y la parte superior en azufre, generando un gradiente composicional vertical. Imágenes de microscopía revelan vacíos y una estructura desigual cerca de la base, y mapas de emisión de luz confirman que el paisaje energético dentro de la película se inclina en una dirección desafortunada, obligando a los portadores de carga eléctrica a subir una “colina” energética mientras intentan llegar al contacto exterior.

Usar una sal sencilla para domar el proceso de crecimiento

La innovación clave es la adición de una pequeña cantidad de sulfuro de sodio a la solución precursora. Este sulfuro adicional eleva y estabiliza suavemente la acidez del líquido y cambia cómo se forman y reaccionan en el tiempo las especies que contienen azufre y selenio. En lugar de un estallido repentino de selenio seguido de agotamiento, la liberación se vuelve gradual y constante. Como resultado, el azufre y el selenio se incorporan de forma más homogénea a medida que crece la película, logrando una composición casi uniforme desde la interfaz inferior hasta la superficie superior. La microscopía electrónica y los mapas elementales muestran que los vacíos estructurales desaparecen en gran medida y que la proporción azufre/selenio se nivela con la profundidad. Al mismo tiempo, el sulfuro adicional ayuda a convertir subproductos no deseados ricos en oxígeno en el calcogenuro deseado, limpiando la película mientras se forma.

Caminos más limpios para las cargas y menos trampas energéticas

Estas mejoras estructurales y composicionales remodelan directamente cómo el material maneja las cargas creadas por la luz solar. Mediciones detalladas de la emisión de luz a lo largo de una sección transversal de la película muestran que, sin el aditivo, los niveles energéticos se doblan de una manera que bloquea el flujo de portadores cargados positivamente (huecos) hacia el contacto exterior. Con sulfuro de sodio, las bandas energéticas se aplanan, eliminando esta barrera para que los huecos puedan moverse con mayor libertad. Experimentos separados de espectroscopía de defectos revelan que la densidad de estados profundos “trampa” —vinculados a átomos de azufre faltantes y átomos de antimonio mal ubicados— se reduce en aproximadamente dos órdenes de magnitud. Menos trampas significan menos recombinaciones no radiativas donde las cargas simplemente desaparecen en forma de calor, y una mayor concentración efectiva de portadores que reduce la resistencia interna. Juntas, estas modificaciones aumentan tanto la corriente como el factor de llenado de los dispositivos, aunque una capa absorbente ligeramente más delgada provoca una pequeña caída en el voltaje.

De sutiles ajustes químicos a mejores células solares

Al diseccionar con cuidado las vías de reacción en el crecimiento hidrotermal del selenosulfuro de antimonio y luego ralentizarlas y suavizarlas deliberadamente con sulfuro de sodio, los investigadores demuestran que ajustes químicos modestos pueden tener efectos desproporcionados en el rendimiento solar. Las películas mejoradas entregan una eficiencia de conversión de potencia del 11,02 %, con un valor certificado de forma independiente del 10,7 %, estableciendo un nuevo referente para esta clase de dispositivos. En un sentido más amplio, el trabajo demuestra cómo el control de la química en solución —en lugar de solo la estratificación del dispositivo— puede eliminar gradientes y defectos ocultos que limitan la eficiencia. Estos conocimientos proporcionan una hoja de ruta para refinar materiales solares procesados en solución y a baja temperatura, acercándonos a tecnologías solares de película delgada y en tándem asequibles y de alto rendimiento.

Cita: Qian, C., Sun, K., Huang, J. et al. Regulation of hydrothermal reaction kinetics with sodium sulfide for certified 10.7% efficiency Sb₂(S,Se)₃ solar cells. Nat Energy 11, 415–424 (2026). https://doi.org/10.1038/s41560-025-01952-0

Palabras clave: células solares de selenosulfuro de antimonio, películas delgadas hidrotermales, aditivo sulfuro de sodio, reducción de defectos en fotovoltaica, tecnología solar en tándem