El efecto Staebler-Wronski (SWE) se refiere a cambios metaestables inducidos por la luz en las propiedades del silicio amorfo hidrogenado .
La densidad de defectos del silicio amorfo hidrogenado (a-Si:H) aumenta con la exposición a la luz, lo que provoca un aumento en la corriente de recombinación y reduce la eficiencia de la conversión de la luz solar en electricidad .
Fue descubierto por David L. Staebler y Christopher R. Wronski en 1977. Demostraron que la corriente oscura y la fotoconductividad del silicio amorfo hidrogenado pueden reducirse significativamente mediante una iluminación prolongada con luz intensa. Sin embargo, al calentar las muestras a más de 150 °C, pudieron revertir el efecto. [1]
La naturaleza exacta y la causa del efecto Staebler-Wronski aún no se conocen bien. El silicio nanocristalino sufre menos el efecto Staebler-Wronski que el silicio amorfo, lo que sugiere que el desorden en la red de silicio amorfo Si juega un papel importante. Otras propiedades que podrían jugar un papel son la concentración de hidrógeno y su complejo mecanismo de enlace, así como la concentración de impurezas.
Históricamente, el modelo más favorecido ha sido el modelo de conmutación de enlaces de hidrógeno. [2] Propone que un par electrón-hueco formado por la luz incidente puede recombinarse cerca de un enlace Si-Si débil, liberando energía suficiente para romper el enlace. Un átomo de H vecino forma entonces un nuevo enlace con uno de los átomos de Si, dejando un enlace colgante . Estos enlaces colgantes pueden atrapar pares electrón-hueco, reduciendo así la corriente que puede pasar a través de ellos. Sin embargo, nueva evidencia experimental está poniendo en duda este modelo. Más recientemente, el modelo de colisión de H propuso que dos eventos de recombinación separados espacialmente causan la emisión de hidrógeno móvil de los enlaces Si-H para formar dos enlaces colgantes, con un estado H emparejado metaestable uniendo los átomos de hidrógeno en un sitio distante. [3]
La eficiencia de una célula solar de silicio amorfo suele caer durante los primeros seis meses de funcionamiento. Esta caída puede oscilar entre el 10% y el 30%, dependiendo de la calidad del material y del diseño del dispositivo. La mayor parte de esta pérdida se produce en el factor de llenado de la célula. Después de esta caída inicial, el efecto alcanza un equilibrio y provoca poca degradación adicional. El nivel de equilibrio cambia con la temperatura de funcionamiento , de modo que el rendimiento de los módulos tiende a recuperarse un poco en los meses de verano y vuelve a caer en los meses de invierno. [4] La mayoría de los módulos de silicio amorfo disponibles comercialmente tienen una degradación de SWE en el rango del 10 al 15% y los proveedores suelen especificar la eficiencia en función del rendimiento después de que la degradación de SWE se haya estabilizado. En una célula solar de silicio amorfo típica , la eficiencia se reduce hasta en un 30% en los primeros 6 meses como resultado del efecto Staebler-Wronski, y el factor de llenado cae de más de 0,7 a aproximadamente 0,6. Esta degradación inducida por la luz es la principal desventaja del silicio amorfo como material fotovoltaico . [5]