Compositional engineering study on new absorber materials for photovoltaic applications with computational techniques

• Autores: Pablo Sánchez-Palencia Vallejo
• Directores de la Tesis: Pablo Palacios Clemente (dir. tes.), Gregorio García Moreno (codir. tes.)
• Lectura: En la Universidad Politécnica de Madrid ( España ) en 2023
• Idioma: inglés
• Tribunal Calificador de la Tesis: Perla Wahnón Benarroch (presid.), César Tablero Crespo (secret.), Irene Aguilera Bonet (voc.), Eduardo Ariel Menéndez Proupin (voc.), Julio Juan Fernández Sánchez (voc.)
• Programa de doctorado: Programa de Doctorado en Energía Solar Fotovoltaica por la Universidad Politécnica de Madrid
• Calificación: Sobresaliente Cum Laude
• Materias:
  • Astronomía y astrofísica
    • Sistema solar
      • Energía solar
  • Física
    • Óptica
      • Propiedades ópticas de los sólidos
• Enlaces
  • Tesis en acceso abierto en: Archivo Digital UPM
• Resumen

  • Se espera que la energía solar fotovoltaica sea uno de los principales motores de cambio para acometer la transición a un modelo energético más sostenible y distribuido. Pese a que la tecnología fotovoltaica ha alcanzado un estado de desarrollo plenamente competitivo a nivel de mercado, constituyéndose como una de las formas de producción de energía más rentables económicamente a día de hoy, ésta todavía presenta algunas desventajas con respecto a otras alternativas de generación que limitan en cierta medida su crecimiento. Entre esas desventajas se encuentran su naturaleza extensiva, debida a la baja densidad de producción eléctrica por superficie ocupada, su intermitencia o su relativamente alto tiempo de retorno de la energía invertida en su producción, consecuencia de los procesos energéticamente intensivos requeridos para la fabricación de paneles y células solares. Dentro de unos márgenes inherentes a la tecnología, tanto el primero como el tercero de estos puntos van estrechamente asociados al material absorbente empleado en los paneles, en la gran mayoría de casos silicio, que se caracteriza por ser un material tremendamente abundante pero no especialmente óptimo para dicho papel. Dentro del mundo de la investigación se están dedicando ímprobos esfuerzos a buscar nuevos materiales que puedan mitigar estos problemas y puedan propiciar un nuevo y mayor impulso a esta forma renovable de producción de energía eléctrica. Entre ellos se quieren destacar aquí algunos de probado potencial como las perovskitas, u otros que a nivel conceptual ofrecen perspectivas sumamente prometedoras, como son los materiales de banda intermedia, siempre con el foco en aumentar eficiencias de conversión, reducir costes de producción y aumentar los tiempos de vida de los dispositivos mediante materiales más estables. En esta tesis se examinan algunos materiales semiconductores con propiedades de interés para ser utilizados como absorbentes en células solares mediante el uso de técnicas computacionales. En concreto se han usado métodos ab-initio, principalmente la teoría del funcional de la densidad (DFT), para obtener parámetros y propiedades característicos de dichos materiales y evaluar su verdadero potencial como materiales absorbentes. Este proceso de caracterización ab-initio ha sido además oportunamente potenciado con el uso del aprendizaje automático, como herramienta complementaria a estos métodos basados en la química computacional. Utilizando estas herramientas, de probada eficiencia y precisión para esta tarea, se ha definido una metodología de trabajo más allá de la simple caracterización de los materiales basada en la ingeniería composicional, a través de la cual se persigue la optimización de las propiedades señaladas por medio de la modificación de la composición química del material. Así, se han explorado diferentes caminos analizando el efecto de la sustitución de elementos similares, la introducción de dopantes o la variación de concentraciones. En esa línea de trabajo, se han propuesto dos nuevos materiales de banda intermedia de alta eficiencia mediante el dopaje con metales de transición a altos niveles de concentración. También se han sugerido composiciones preferentes para perovskitas inorgánicas, buscando reducir sus problemas de estabilidad y toxicidad sin afectar a su rendimiento como absorbentes fotovoltaicos. Finalmente, se ha estudiado también el efecto sobre la estabilidad y el ancho de banda prohibida (band gap) de la ordenación catiónica en materiales nitruros con estructura de espinela.