Modelado TCAD de Silvaco, simulación óptica y optimización para células solares tándem de perovskita y u‑CIGS de alta corriente con eficiencias por encima del 30%

Energía más limpia gracias a una captura de luz más inteligente

Mientras el mundo busca formas de reducir las emisiones de carbono al tiempo que satisface una demanda energética en aumento, los paneles solares afrontan la presión de extraer más energía de cada rayo de sol. Este estudio explora un nuevo tipo de célula solar “tándem” que apila dos materiales avanzados absorbentes de luz, con el objetivo de obtener más electricidad de la misma radiación solar al tiempo que evita elementos escasos o tóxicos como el plomo y el indio. El trabajo utiliza simulaciones por ordenador detalladas para mostrar cómo un diseño de este tipo podría alcanzar de manera realista eficiencias superiores al 30%, un avance importante respecto a la mayoría de los paneles domésticos actuales.

Por qué apilar capas solares mejora el rendimiento

Los paneles solares convencionales emplean una única capa absorbente, lo que significa que solo pueden capturar fotones con suficiente energía para superar la brecha energética de ese material. Los fotones de mayor energía pierden el exceso como calor, y los de menor energía atraviesan la célula, lo que supone luz solar desaprovechada en ambos casos. Una célula tándem aborda esto apilando dos absorbentes distintos. La capa superior se ajusta para atrapar la parte más azul y energética del espectro, mientras que la capa inferior está pensada para captar la luz más roja y de menor energía que pasa. Como cada capa funciona más cerca de su rango energético ideal, el dispositivo combinado puede convertir una mayor fracción de la luz solar en electricidad útil.

Construyendo un tándem más verde: sin plomo ni indio

Los autores diseñan un dispositivo de dos capas en el que la célula superior está hecha de una perovskita sin plomo llamada yoduro de bismuto metilamonio (MBI), y la célula inferior es una película delgada del conocido semiconductor CIGS (selenuro de cobre, indio y galio). Para evitar el uso del escaso indio en el electrodo frontal transparente, sustituyen el óxido de indio y estaño (ITO) habitualmente empleado por óxido de estaño dopado con flúor (FTO). El FTO no solo evita problemas de suministro, sino que también tolera mayores temperaturas y desgaste mecánico, lo que lo hace atractivo para la fabricación a gran escala. La célula MBI simulada con FTO alcanza por sí sola una eficiencia superior al 15%, estableciendo una base sólida para apilarla sobre la capa de CIGS.

Cómo el ajuste cuidadoso desbloquea alta eficiencia

Apilar una célula sobre otra no garantiza automáticamente un mejor panel: ambas subcélulas deben entregar la misma corriente eléctrica cuando están conectadas en serie, o la más débil limitará todo el dispositivo. Para solucionarlo, los investigadores emplean una búsqueda numérica en dos pasos para afinar el espesor de la capa MBI de modo que la corriente de las celdas superior e inferior coincida dentro de un margen muy pequeño. También modelan cómo la luz se refleja, interfiere y absorbe al pasar por cada capa —desde la cubierta de vidrio y el contacto frontal de FTO, pasando por la perovskita y un conector muy delgado a base de oro, hasta la película de CIGS y el contacto metálico trasero—. Al mismo tiempo, calculan cómo se mueven, recombinan y recolectan electrones y huecos, usando modelos físicos validados frente a experimentos con células individuales reales.

Qué revelan las simulaciones sobre la célula tándem

Con estos detalles incorporados, el dispositivo tándem simulado emplea una capa MBI de aproximadamente 420 nanómetros de espesor sobre una capa de CIGS de 500 nanómetros. La célula superior absorbe casi toda la luz con longitudes de onda menores de unos 650 nanómetros, mientras que los fotones de mayor longitud de onda la atraviesan y son capturados de forma eficiente por el CIGS. El resultado es una densidad de corriente compartida cercana a 20 miliamperios por centímetro cuadrado en ambas capas. Bajo supuestos idealizados sobre la perfección del material y las pérdidas ópticas, el modelo produce una llamativa eficiencia de conversión de potencia de aproximadamente el 36%. Cuando los autores introducen niveles más realistas de defectos y pérdidas en las interfaces, el rendimiento se sitúa en torno al 30%, aún significativamente por encima de la mayoría de los paneles comerciales de una sola unión y en línea con los mejores prototipos tándem reportados en los últimos años.

Por qué este enfoque importa para los paneles solares del futuro

Para el público no especializado, el mensaje clave es que un diseño inteligente —más que física nueva y exótica— puede impulsar los paneles solares mucho más allá de los límites de eficiencia actuales. Al apilar una perovskita sin plomo ajustada a la luz azul sobre una capa de CIGS ajustada a la luz roja, y al sustituir el indio escaso por vidrio FTO más resistente, los autores delinean un camino hacia módulos solares más limpios, potentes y sostenibles. Sus simulaciones actúan como una hoja de ruta, mostrando qué espesores de capa, materiales de contacto y calidades de interfaz importan más. Si los científicos de materiales pueden acercarse a estas condiciones en el laboratorio y la fábrica, los paneles solares que conviertan un tercio o más de la luz entrante en electricidad podrían convertirse en una realidad práctica, ayudando a cubrir la demanda energética global con menos paneles, menos terreno y menor impacto ambiental.

Cita: Mosalanezhad, R., Shayesteh, M.R. & Pourahmadi, M. Silvaco TCAD modeling, optical simulation, and optimization for high-current perovskite and u-CIGS tandem solar cells with efficiencies above 30%. Sci Rep 16, 8611 (2026). https://doi.org/10.1038/s41598-026-39816-6

Palabras clave: células solares tándem, fotovoltaica de perovskita, película delgada CIGS, materiales solares sin plomo, simulación de células solares