La energía fotovoltaica de banda intermedia en la investigación de células solares proporciona métodos para superar el límite de Shockley-Queisser sobre la eficiencia de una célula. Introduce un nivel de energía de banda intermedia (IB) entre las bandas de valencia y conducción. Teóricamente, la introducción de un IB permite que dos fotones con energía menor que la banda prohibida exciten un electrón de la banda de valencia a la banda de conducción . Esto aumenta la fotocorriente inducida y, por tanto, la eficiencia. [1]
Luque y Martí derivaron por primera vez un límite teórico para un dispositivo IB con un nivel de energía intermedio utilizando un equilibrio detallado . [1] Asumieron que no se recogieron portadores en el IB y que el dispositivo estaba en concentración total. [1] Descubrieron que la eficiencia máxima era del 63,2%, para una banda prohibida de 1,95 eV con el IB de 0,71 eV de la banda de valencia o de conducción. [1] Bajo una sola iluminación solar, la eficiencia límite es del 47%. [2]
Green y Brown ampliaron estos resultados al derivar el límite de eficiencia teórica para un dispositivo con IB infinitos. [3] Al introducir más IB, se puede utilizar aún más espectro de incidentes. Después de realizar el balance detallado, encontraron que la eficiencia máxima era del 77,2%. [3] Esta eficiencia es menor que la de una celda multiunión con infinitas uniones. Esto se debe a que en las celdas multiunión, los electrones se capturan exactamente después de ser excitados a un estado de mayor energía, mientras que en un dispositivo IB, los electrones todavía necesitan otra transición de energía para alcanzar la banda de conducción y ser recolectados. [3]
Los IB tienen potencial teórico para convertirse en dispositivos de alta eficiencia, pero son difíciles de fabricar. La introducción de un IB aumenta enormemente los mecanismos de recombinación no radiativa. [4] Además, los IB deben llenarse parcialmente para permitir el movimiento de los transportistas hacia y desde el IB. Esto a menudo requiere portadores donantes. [2] Los tres métodos actuales de fabricación de dispositivos IB se describen a continuación.
El primer método consiste en introducir estructuras de puntos cuánticos (QD) pequeñas y homogéneas en un dispositivo de unión única. [2] Esto crea un IB, que se puede ajustar cambiando la forma y el tamaño de los QD. [5] Para que un dispositivo experimental muestre un potencial de alta eficiencia, debe demostrar que puede generar corriente a partir de la absorción de fotones de subbanda prohibida, preservando al mismo tiempo el voltaje de salida del dispositivo. [5] Utilizando puntos cuánticos cultivados epitaxialmente, algunos dispositivos experimentales, como InAs/GaAs, han podido hacer esto. [5] Los dispositivos preliminares de InAs/GaAs han podido producir eficiencias de hasta el 18,3%, aunque esta cifra sigue siendo inferior a la del dispositivo de unión única comparable. [6] Desafortunadamente, las estructuras QD tienen varios problemas: [2]
Por lo tanto, se necesita más investigación para fabricar dispositivos verdaderamente altamente eficientes. Específicamente, es necesario desarrollar estructuras QD de alta densidad con una larga vida útil de los portadores y encontrar nuevos materiales para eliminar la necesidad de utilizar portadores donantes para llenar el IB. [2]
Los hallazgos relacionados con puntos cuánticos coloidales (CQD) sintetizados químicamente [7] y materiales fotovoltaicos basados en perovskita han mostrado condiciones potencialmente favorables para realizar semiconductores IB. Los CQD fabricados con materiales de banda prohibida baja (en el infrarrojo cercano) permiten un fuerte confinamiento del portador, una vida útil elevada de la radiación, un gran radio de Bohr [8] y pueden superar las principales limitaciones antes mencionadas de los puntos de crecimiento epitaxial. [9] En primer lugar, los CQD pueden empaquetarse densamente (densidades de hasta 10 19 –10 20 puntos/cm 3 ) en películas que son muy absorbentes. En segundo lugar, el tamaño de los CQD se controla con precisión, lo que permite una verdadera configuración de 3 bandas prohibidas. Por ejemplo, los CQD de PbS integrados en un huésped de perovskita de banda prohibida amplia pueden permitir la configuración IB óptima y pueden proporcionar coeficientes de absorción asociados a las transiciones IB con valores (hasta ~10 5 cm −1 ) comparables a los materiales a granel. [10] También es prometedor que las perovskitas y las CQD combinadas en solución puedan producir heterocristales de puntos en el huésped alineados epitaxialmente (CQD@Perovskita) , donde los puntos son pasivados por la perovskita y permanecen bien dispersos con una concentración ajustada controlando la proporción de soluciones mixtas. [11]
Otro método para fabricar un dispositivo IB es utilizar aleaciones muy desiguales. El uso de estas aleaciones no coincidentes introduce un IB debido al mecanismo anticruce de banda (BAC). [12] Esto es esencialmente la división de la banda de valencia o conducción, dependiendo del tipo de aleación, en dos bandas. [12] Estos materiales suelen estar hechos de aleaciones III-V, sin embargo, también se han fabricado con aleaciones II-VI. [12] Las dos aleaciones más estudiadas son ZnTe dopado con O y GaAs dopado con N. [13] Ambos dispositivos han demostrado experimentalmente la absorción de fotones por debajo de la banda prohibida, sin embargo, ninguno ha podido demostrar la preservación del voltaje. [13] A pesar de esto, los dispositivos ZnTeO han demostrado una mayor fotocorriente y eficiencia que un dispositivo ZnTe de banda prohibida única comparable. [6] Desafortunadamente, ambas estructuras exhiben una eficiencia inferior al 1%. [6] En el futuro, se necesita más investigación para encontrar materiales con bandas IB naturales parcialmente llenas. [5]
Finalmente, el último enfoque consiste en introducir impurezas de nivel profundo (DLI) en un material semiconductor a granel. [5] Este método es similar a las aleaciones muy desiguales, sin embargo, los porcentajes de dopaje son mucho menores. El mayor problema con estos dispositivos es que la recombinación no radiativa, predominantemente Shockley-Read-Hall, aumenta significativamente. [14] Una importante investigación en este campo tuvo como objetivo lograr la “recuperación de la vida útil”, o la capacidad de aumentar la vida útil del operador mediante la introducción de más DLI. [15] En particular, se creía que la recuperación de la vida útil podría lograrse aumentando las concentraciones de DLI en la transición del aislante al metal. [15] Krich, sin embargo, refutó esto y en el proceso propuso una “cifra de mérito” para determinar si los materiales serían adecuados para IB de alta eficiencia. [15] La idea era que si la vida útil de la recombinación no radiativa era significativamente mayor que el tiempo de tránsito para que un electrón se mueva desde la banda de conducción al IB, entonces el material podría aumentar la eficiencia. [15] Esencialmente, el electrón podría alcanzar el IB antes de recombinarse, lo que generaría una fotocorriente inducida más alta. Esta cifra de mérito se ha utilizado para explicar por qué no se ha fabricado ningún dispositivo utilizable con silicio altamente dopado. En particular, el silicio dopado con calcógeno tiene bajas cifras de mérito debido a sus cortos tiempos de vida de recombinación no radiativa. [16] Para lograr dispositivos IB, es necesario realizar más investigaciones para encontrar un material semiconductor a granel que presente tiempos de vida de recombinación no radiativa más largos.
