Una célula termofotovoltaica de banda prohibida ultrabaja mantiene el efecto fotovoltaico hasta 273 K

24 de agosto de 2026. Investigadores del Centre National de la Recherche Scientifique (CNRS), la University of Montpellier, la University of Orléans y la University of Toulouse han desarrollado células termofotovoltaicas (TPV) de banda prohibida ultrabaja capaces de trabajar a temperaturas superiores a las habituales en este tipo de dispositivos. La tecnología convierte directamente en electricidad la radiación infrarroja procedente de una fuente de calor.

El dispositivo utiliza un absorbente formado por una superred de tipo II de indium arsenide/indium arsenide antimonide (InAs/InAsSb), un material empleado actualmente en fotodetectores infrarrojos. La célula presenta una banda prohibida de 0,23 eV a 200 K. Según Rodolphe Vaillon, autor principal de la investigación, el trabajo transforma un fotodetector infrarrojo en una célula TPV con capacidad para funcionar a temperaturas más elevadas que las habituales en los fotodetectores de infrarrojos.

La principal novedad del diseño es una capa barrera de aluminum arsenide antimonide (AlAsSb) de 200 nanómetros. Esta capa genera un desfase de banda que restringe el flujo de portadores no deseado y limita las fugas de corriente en la superficie. El objetivo es reducir la corriente oscura, una corriente eléctrica que circula por la célula incluso cuando no recibe radiación y que disminuye tanto la tensión como la potencia de salida.

Las células de banda prohibida muy baja pueden captar radiación infrarroja de menor energía, por lo que resultan adecuadas para fuentes de calor de menor temperatura. Sin embargo, la corriente oscura suele obligar a operar estos dispositivos a temperaturas criogénicas, alrededor de 77 K, equivalentes a -196 °C. Al reducir ese efecto, la estructura barrera permite conservar un mejor comportamiento cuando aumenta la temperatura de la célula.

El equipo fabricó dos diseños de células TPV basadas en InAs/InAsSb: una estructura convencional p-intrinsic-n (PIN), utilizada como referencia, y otra con la capa barrera de AlAsSb. Las obleas se procesaron en células de mesa de pequeño tamaño, denominadas “micro”, y en células “macro” de 1 × 1 cm² mediante metalización y grabado húmedo. Las versiones micro también incorporaron pasivación de las paredes laterales y recubrimientos dieléctricos.

Para estudiar las capas fabricadas, los investigadores emplearon difracción de rayos X de alta resolución, microscopía de fuerza atómica y mediciones de fotoluminiscencia. Las células terminadas se sometieron a ensayos de corriente-tensión y de corriente oscura a distintas temperaturas. Después se evaluó su respuesta fotovoltaica con radiación infrarroja procedente de un emisor térmico a 800 °C situado a 14 centímetros de distancia.

Con ese emisor, las células con barrera alcanzaron un rendimiento más de diez veces superior al de las células PIN convencionales cuando la temperatura superaba los 150 K. Los investigadores atribuyen una parte importante de la mejora a la combinación de la capa barrera con un tratamiento de pasivación por sulfuración, que ayuda a suprimir las fugas de corriente superficial.

A una temperatura de célula de 123 K, equivalente a -150 °C, las células con barrera registraron tensiones de circuito abierto cercanas a 23 mV y factores de llenado de aproximadamente 0,2. Una de las mediciones alcanzó una tensión de circuito abierto de 0,15 V. Además, una célula micro con estructura barrera y pasivación siguió mostrando efecto fotovoltaico a 273 K, alrededor de 0 °C, con una tensión de circuito abierto de unos 75 mV.

La investigación apunta a posibles usos en almacenamiento de energía térmica y en la conversión de calor de procesos industriales en electricidad. La termofotovoltaica también despierta interés porque puede aprovechar una parte más amplia del espectro solar y, en teoría, superar el límite de Shockley-Queisser de la fotovoltaica convencional. No obstante, los investigadores señalan que las pérdidas ópticas y térmicas siguen limitando su viabilidad comercial.

El trabajo, titulado “Fabrication and characterization of very-low bandgap InAs/InAsSb thermophotovoltaic cells”, se publicó en Solar Energy Materials and Solar Cells. El equipo considera que el proceso de fabricación es robusto, aunque prevé mejoras mediante una caracterización más precisa, especialmente del factor de visión, y mediante el estudio de absorbentes con una banda prohibida mayor para analizar su efecto sobre la corriente oscura. Fuente: pv-magazine.com.