Célula solar multiunión

Prueba de luz negra de las células solares de arseniuro de galio de triple unión de Dawn ^[1]

Célula de energía solar con múltiples bandas prohibidas de diferentes materiales

Las células solares de uniones múltiples ( MJ ) son células solares con múltiples uniones p-n hechas de diferentes materiales semiconductores . La unión pn de cada material producirá corriente eléctrica en respuesta a diferentes longitudes de onda de luz . El uso de múltiples materiales semiconductores permite la absorbancia de una gama más amplia de longitudes de onda, mejorando la eficiencia de conversión de la luz solar de la celda en energía eléctrica.

Las celdas tradicionales de unión simple tienen una eficiencia teórica máxima del 33,16%. ^[2] Teóricamente, un número infinito de uniones tendría una eficiencia límite del 86,8% bajo luz solar altamente concentrada. ^[3]

En 2023, los mejores ejemplos de laboratorio de células solares tradicionales de silicio cristalino (c-Si) tenían eficiencias de hasta el 26,81 %, ^[4] mientras que los ejemplos de laboratorio de células de uniones múltiples han demostrado un rendimiento superior al 46 % bajo luz solar concentrada. ^{[5] [6] [7]} Los ejemplos comerciales de celdas en tándem están ampliamente disponibles al 30% bajo iluminación de un solo sol, ^{[8] [9]} y mejoran a alrededor del 40% bajo luz solar concentrada. Sin embargo, esta eficiencia se logra a costa de una mayor complejidad y precio de fabricación. Hasta la fecha, su mayor precio y su mayor relación precio-rendimiento han limitado su uso a funciones especiales, especialmente en el sector aeroespacial , donde su alta relación potencia-peso es deseable. En aplicaciones terrestres, estas células solares están emergiendo en la concentración fotovoltaica (CPV), pero no pueden competir con los paneles solares de unión única a menos que se requiera una mayor densidad de potencia. ^[10]

Se han utilizado técnicas de fabricación en tándem para mejorar el rendimiento de los diseños existentes. En particular, la técnica se puede aplicar a células solares de película delgada de menor costo que utilizan silicio amorfo , a diferencia del silicio cristalino convencional, para producir una célula con aproximadamente un 10% de eficiencia que sea liviana y flexible. Este enfoque ha sido utilizado por varios proveedores comerciales, ^[11] pero estos productos actualmente se limitan a ciertas funciones específicas, como materiales para techos.

Descripción

Conceptos básicos de las células solares.

Figura A. Ilustración del diagrama de bandas del efecto fotovoltaico . Los fotones dan su energía a los electrones en las regiones de agotamiento o cuasi neutrales. Estos pasan de la banda de valencia a la banda de conducción . Dependiendo de la ubicación, los electrones y los huecos son acelerados por E _deriva , que genera fotocorriente , o por E _scatt , que genera fotocorriente de dispersión. ^[12]

Las células fotovoltaicas tradicionales suelen estar compuestas de silicio dopado con contactos metálicos depositados en la parte superior e inferior. El dopaje normalmente se aplica a una capa delgada en la parte superior de la celda, produciendo una unión pn con una energía de banda prohibida particular, por _ejemplo .

Los fotones que golpean la parte superior de la célula solar se reflejan o se transmiten al interior de la célula. Los fotones transmitidos tienen el potencial de ceder su energía, hν , a un electrón si hν ≥ E _g , generando un par electrón- hueco . ^{[13] En la región de agotamiento, la} _deriva del campo eléctrico E acelera tanto a los electrones como a los huecos hacia sus respectivas regiones n-dopadas y p-dopadas (arriba y abajo, respectivamente). La corriente resultante I _g se llama fotocorriente generada . En la región casi neutra, el campo eléctrico de dispersión E _scatt acelera los agujeros (electrones) hacia la región dopada con p (n-dopada), lo que da una fotocorriente de dispersión I _pscatt ( I _nscatt ). En consecuencia, debido a la acumulación de cargas , aparecen un potencial V y una fotocorriente I _ph . La expresión de esta fotocorriente se obtiene sumando fotocorrientes de generación y dispersión: I _ph = I _g + I _nscatt + I _pscatt .

Las características JV ( J es densidad de corriente, es decir, corriente por unidad de área) de una célula solar bajo iluminación se obtienen desplazando las características JV de un diodo en la oscuridad hacia abajo en I _ph . Dado que las células solares están diseñadas para suministrar energía y no absorberla, la potencia P = VI _ph debe ser negativa. Por lo tanto, el punto de operación ( V _m , J _m ) está ubicado en la región donde V > 0 e I _ph < 0 , y se elige para maximizar el valor absoluto de la potencia | P |. ^[14]

Mecanismos de pérdida

El límite de Shockley-Queisser para la eficiencia de una célula solar de unión simple. Es esencialmente imposible que una célula solar de unión simple, bajo luz solar no concentrada, tenga más de ~34% de eficiencia. Sin embargo, una celda multiunión puede exceder ese límite.

El rendimiento teórico de una célula solar se estudió en profundidad por primera vez en la década de 1960 y hoy se conoce como límite de Shockley-Queisser . El límite describe varios mecanismos de pérdida que son inherentes a cualquier diseño de celda solar.

Las primeras son las pérdidas debidas a la radiación del cuerpo negro , un mecanismo de pérdidas que afecta a cualquier objeto material por encima del cero absoluto . En el caso de las células solares a temperatura y presión estándar , esta pérdida representa alrededor del 7% de la potencia. El segundo es un efecto conocido como "recombinación", donde los electrones creados por el efecto fotoeléctrico se encuentran con los huecos de electrones dejados por excitaciones previas. En el caso del silicio, esto representa otro 10% de la potencia.

Sin embargo, el mecanismo de pérdida dominante es la incapacidad de una célula solar para extraer toda la energía de la luz , y el problema asociado de que no puede extraer energía alguna de ciertos fotones. Esto se debe al hecho de que los fotones deben tener suficiente energía para superar la banda prohibida del material.

Si el fotón tiene menos energía que la banda prohibida, no se recoge en absoluto. Esta es una consideración importante para las células solares convencionales, que no son sensibles a la mayor parte del espectro infrarrojo , aunque representa casi la mitad de la energía proveniente del sol. Por el contrario, los fotones con más energía que la banda prohibida, digamos la luz azul, inicialmente expulsan un electrón a un estado muy por encima de la banda prohibida, pero esta energía adicional se pierde a través de colisiones en un proceso conocido como "relajación". Esta energía perdida se convierte en calor en la celda, lo que tiene el efecto secundario de aumentar aún más las pérdidas del cuerpo negro. ^[15]

Combinando todos estos factores, la eficiencia máxima para un material de banda prohibida única, como las células de silicio convencionales, es de aproximadamente el 34%. Es decir, se perderá el 66% de la energía de la luz solar que llega a la célula. Las preocupaciones prácticas reducen aún más esto, en particular el reflejo en la superficie frontal o los terminales metálicos, con celdas modernas de alta calidad en aproximadamente el 22%.

Los materiales de banda prohibida más bajos, también llamados más estrechos, convertirán fotones de longitud de onda más larga y de menor energía. Los materiales con banda prohibida más alta o más ancha convertirán luz de longitud de onda más corta y de mayor energía. Un análisis del espectro AM1.5 muestra que el mejor equilibrio se alcanza aproximadamente a 1,1 eV (aproximadamente 1100 nm, en el infrarrojo cercano), que resulta estar muy cerca de la banda prohibida natural en el silicio y en varios otros semiconductores útiles.

Células multiunión

Las células hechas de múltiples capas de materiales pueden tener múltiples bandas prohibidas y, por lo tanto, responderán a múltiples longitudes de onda de luz, capturando y convirtiendo parte de la energía que de otro modo se perdería en relajación como se describe anteriormente.

Por ejemplo, si uno tuviera una celda con dos bandas prohibidas, una sintonizada con la luz roja y la otra con la verde, entonces la energía adicional en la luz verde, cian y azul se perdería solo en la banda prohibida del material sensible al verde. mientras que la energía del rojo, amarillo y naranja se perdería sólo en la banda prohibida del material sensible al rojo. Tras un análisis similar a los realizados para dispositivos de banda prohibida única, se puede demostrar que las bandas prohibidas perfectas para un dispositivo de dos bandas prohibidas están en 0,77  eV y 1,70  eV. ^[dieciséis]

Convenientemente, la luz de una longitud de onda particular no interactúa fuertemente con materiales que tienen una banda prohibida mayor. Esto significa que puede crear una celda de uniones múltiples colocando los diferentes materiales en capas uno encima del otro, con las longitudes de onda más cortas (la banda prohibida más grande) en la "parte superior" y aumentando a lo largo del cuerpo de la celda. Como los fotones tienen que atravesar la celda para llegar a la capa adecuada y ser absorbidos, es necesario utilizar conductores transparentes para recoger los electrones que se generan en cada capa.

Figura C. (a) La estructura de una célula solar MJ. Hay seis tipos importantes de capas: uniones pn, capas de campo de superficie posterior (BSF), capas de ventana, uniones de túnel, revestimiento antirreflectante y contactos metálicos. (b) Gráfico de irradiancia espectral E versus longitud de onda λ sobre el espectro solar AM 1.5, junto con la eficiencia máxima de conversión de electricidad para cada unión en función de la longitud de onda. ^[17]

Producir una celda en tándem no es tarea fácil, en gran parte debido a la delgadez de los materiales y las dificultades para extraer la corriente entre las capas. La solución fácil es utilizar dos células solares de película fina separadas mecánicamente y luego conectarlas por separado fuera de la célula. Esta técnica es ampliamente utilizada por las células solares de silicio amorfo ; los productos de Uni-Solar utilizan tres de estas capas para alcanzar eficiencias de alrededor del 9%. Los ejemplos de laboratorio que utilizan materiales de película delgada más exóticos han demostrado eficiencias superiores al 30%. ^[17]

La solución más difícil es la celda "monolíticamente integrada", donde la celda consta de varias capas que están conectadas mecánica y eléctricamente. Estas células son mucho más difíciles de producir porque las características eléctricas de cada capa deben coincidir cuidadosamente. En particular, la fotocorriente generada en cada capa debe coincidir; de lo contrario, los electrones serán absorbidos entre las capas. Esto limita su construcción a ciertos materiales, que se cumplen mejor con los semiconductores III-V . ^[17]

Elección de materiales

La elección de materiales para cada subcelda está determinada por los requisitos de propiedades optoelectrónicas de alto rendimiento y coincidencia de red, coincidencia de corriente.

Para un crecimiento óptimo y la calidad del cristal resultante, la constante de red cristalina a de cada material debe coincidir estrechamente, lo que da como resultado dispositivos con red coincidente. Esta restricción se ha relajado un poco en las células solares metamórficas desarrolladas recientemente que contienen un pequeño grado de desajuste en la red. Sin embargo, un mayor grado de desajuste u otras imperfecciones de crecimiento pueden provocar defectos en el cristal que provoquen una degradación de las propiedades electrónicas.

Dado que cada subcelda está conectada eléctricamente en serie, la misma corriente fluye a través de cada unión. Los materiales están ordenados con bandas prohibidas decrecientes , Eg , lo _que permite que la luz de subbanda prohibida ( _hc / λ < eEg ) se transmita a las subcélulas inferiores. Por lo tanto, se deben elegir bandas prohibidas adecuadas de modo que el espectro de diseño equilibre la generación actual en cada una de las subceldas, logrando la coincidencia actual. La Figura C(b) traza la irradiancia espectral E (λ), que es la densidad de potencia de la fuente en una longitud de onda dada λ. Se representa junto con la eficiencia de conversión máxima para cada unión en función de la longitud de onda, que está directamente relacionada con la cantidad de fotones disponibles para la conversión en fotocorriente.

Finalmente, las capas deben ser eléctricamente óptimas para un alto rendimiento. Esto requiere el uso de materiales con fuertes coeficientes de absorción α(λ), alta vida útil de los portadores minoritarios τ _minoritarios y altas movilidades µ. ^[18]

Los valores favorables de la siguiente tabla justifican la elección de los materiales utilizados normalmente para las células solares de uniones múltiples: InGaP para la subcélula superior ( E _g = 1,8–1,9  eV), InGaAs para la subcélula intermedia ( E _g = 1,4  eV), y germanio para la subcelda inferior ( E _g = 0,67  eV). El uso de Ge se debe principalmente a su constante de red, robustez, bajo costo, abundancia y facilidad de producción.

Debido a que las diferentes capas tienen una estrecha relación reticular, la fabricación del dispositivo normalmente emplea deposición química de vapor organometálico (MOCVD). Esta técnica es preferible a la epitaxia de haz molecular (MBE) porque garantiza una alta calidad de cristal y una producción a gran escala. ^[14]

Elementos estructurales

Contactos metálicos

Los contactos metálicos son electrodos de baja resistividad que hacen contacto con las capas semiconductoras. Suelen ser de aluminio . Esto proporciona una conexión eléctrica a una carga u otras partes de un conjunto de células solares. Suelen estar en dos lados de la celda. Y es importante que estén en la cara posterior para reducir las sombras en la superficie de iluminación.

Recubrimiento antirreflejos

El revestimiento antirreflectante (AR) generalmente se compone de varias capas en el caso de las células solares MJ. La capa AR superior suele tener una textura superficial de NaOH con varias pirámides para aumentar el coeficiente de transmisión T , la captura de la luz en el material (porque los fotones no pueden salir fácilmente de la estructura MJ debido a las pirámides) y, por tanto, la longitud del camino. de fotones en el material. ^[12] Por un lado, el espesor de cada capa AR se elige para conseguir interferencias destructivas. Por tanto, el coeficiente de reflexión R disminuye al 1%. En el caso de dos capas AR L ₁ (la capa superior, normalmente SiO
₂) y L ₂ (generalmente TiO
₂), deben tener las mismas amplitudes para los campos reflejados y n _L1 d _L1 = 4λ _min , n _L2 d _L2 = λ _min /4 para tener fases opuestas para los campos reflejados. ^[19] Por otro lado, el espesor de cada capa AR también se elige para minimizar la reflectancia en longitudes de onda para las cuales la fotocorriente es la más baja. En consecuencia, esto maximiza J _SC haciendo coincidir las corrientes de las tres subceldas. ^[20] Por ejemplo, debido a que la corriente generada por la celda inferior es mayor que las corrientes generadas por las otras celdas, el grosor de las capas AR se ajusta de modo que la transmisión infrarroja (IR) (que corresponde a la celda inferior) se degrada. mientras que se mejora la transmisión ultravioleta (que corresponde a la celda superior). En particular, un recubrimiento AR es muy importante en longitudes de onda bajas porque, sin él, T se reduciría fuertemente al 70%. ${\displaystyle n_{\text{L2}}=n_{\text{AlInP}}^{\frac {1}{2}}n_{\text{L1}}}$

Cruces de túneles

Figura D: Diagrama de capas y bandas del cruce del túnel. Debido a que la longitud de la región de agotamiento es estrecha y la banda prohibida es alta, los electrones pueden hacer túneles.

El objetivo principal de las uniones de túneles es proporcionar una baja resistencia eléctrica y una conexión ópticamente de baja pérdida entre dos subceldas. ^[21] Sin él, la región dopada con p de la celda superior estaría directamente conectada con la región dopada con n de la celda media. Por lo tanto, aparecería una unión pn con dirección opuesta a las demás entre la celda superior y la celda del medio. En consecuencia, el fotovoltaje sería menor que si no hubiera diodo parásito . Para disminuir este efecto, se utiliza un cruce de túneles. ^[22] Es simplemente un diodo de banda prohibida ancha y altamente dopado. El alto dopaje reduce la longitud de la región de agotamiento porque

${\displaystyle l_{\text{depl}}={\sqrt {{\frac {2\epsilon (\phi _{0}-V)}{q}}{\frac {N_{\text{A}}+N_{\text{D}}}{N_{\text{A}}N_{\text{D}}}}}}}$

Por lo tanto, los electrones pueden atravesar fácilmente la región de agotamiento. La característica JV de la unión del túnel es muy importante porque explica por qué las uniones del túnel se pueden usar para tener una conexión de baja resistencia eléctrica entre dos uniones pn. La Figura D muestra tres regiones diferentes: la región de túnel, la región de resistencia diferencial negativa y la región de difusión térmica. La región donde los electrones pueden atravesar la barrera se llama región de túnel. Allí, el voltaje debe ser lo suficientemente bajo como para que la energía de algunos electrones que están haciendo túneles sea igual a los estados de energía disponibles al otro lado de la barrera. En consecuencia, la densidad de corriente a través de la unión del túnel es alta (con un valor máximo de , la densidad de corriente máxima) y, por lo tanto, la pendiente cerca del origen es pronunciada. Entonces, la resistencia es extremadamente baja y en consecuencia, el voltaje también. ^[23] Esta es la razón por la que los cruces de túnel son ideales para conectar dos cruces pn sin tener una caída de voltaje. Cuando el voltaje es mayor, los electrones no pueden cruzar la barrera porque los estados de energía ya no están disponibles para los electrones. Por tanto, la densidad de corriente disminuye y la resistencia diferencial es negativa. La última región, denominada región de difusión térmica, corresponde a la característica JV del diodo habitual: ${\displaystyle J_{P}}$

${\displaystyle J=J_{S}\left(\exp \left({\frac {qV}{kT}}\right)-1\right)}$

Para evitar la reducción del rendimiento de las células solares MJ, las uniones de los túneles deben ser transparentes a las longitudes de onda absorbidas por la siguiente célula fotovoltaica, la célula del medio, es decir, E _gTunnel > E _gMiddleCell .

Capa de ventana y campo de superficie posterior

Figura E: (a) Capas y diagrama de bandas de una capa de ventana. La recombinación superficial se reduce. (b) Capas y diagrama de bandas de una capa BSF. Se reduce la dispersión de los transportistas.

Se utiliza una capa de ventana para reducir la velocidad de recombinación superficial S. De manera similar, una capa de campo de superficie posterior (BSF) reduce la dispersión de los portadores hacia el cruce del túnel. La estructura de estas dos capas es la misma: se trata de una heterounión que atrapa electrones (huecos). De hecho, a pesar del campo eléctrico E _d , estos no pueden saltar por encima de la barrera formada por la heterounión porque no tienen suficiente energía, como se ilustra en la figura E. Por lo tanto, los electrones (huecos) no pueden recombinarse con huecos (electrones) y no pueden difundirse. a través de la barrera. Por cierto, las capas de ventana y BSF deben ser transparentes a las longitudes de onda absorbidas por la siguiente unión pn; es decir, E _gWindow > E _gEmitter y E _gBSF > E _gEmitter . Además, la constante de red debe ser cercana a la de InGaP y la capa debe estar altamente dopada ( n ≥ 10 ¹⁸  cm ⁻³ ). ^[24]

característica de la empresa conjunta

En una pila de dos celdas, donde no se produce acoplamiento radiativo y donde cada una de las celdas tiene una característica JV dada por la ecuación del diodo, la característica JV de la pila viene dada por ^[25]

${\displaystyle J={\frac {1}{2}}\left(J_{\text{SC,1}}+J_{\text{SC,2}}\right)-{\sqrt {{\frac {1}{4}}{\Delta J_{\text{SC}}}^{2}+J_{0}^{2}\mathrm {e} ^{\frac {qV}{kT}}}},}$

donde y son las corrientes de cortocircuito de las celdas individuales en la pila, es la diferencia entre estas corrientes de cortocircuito y es el producto de las corrientes de recombinación térmica de las dos celdas. Tenga en cuenta que los valores insertados tanto para las corrientes de cortocircuito como para las corrientes de recombinación térmica son los medidos o calculados para las celdas cuando se colocan en una pila de uniones múltiples (no los valores medidos para las celdas de unión simple de los respectivos tipos de celdas). La característica JV para dos celdas ideales (que operan en el límite radiativo) a las que se les permite intercambiar luminiscencia y, por lo tanto, están acopladas radiativamente, viene dada por ^[25] ${\displaystyle J_{\text{SC,1}}}$ ${\displaystyle J_{\text{SC,2}}}$ ${\displaystyle \Delta J_{\text{SC}}}$ ${\displaystyle J_{0}^{2}=J_{\mathrm {0,1} }J_{\mathrm {0,2} }}$

${\displaystyle J={\frac {1}{2}}\left(J_{\text{SC,1}}+J_{\text{SC,2}}\right)+{\frac {1}{2}}T^{-}\Delta J_{\text{SC}}-\left(1-T^{+}\right){\sqrt {{\frac {1}{4}}{\Delta J_{\text{SC}}}^{2}+{\tilde {J}}_{0}^{2}\mathrm {e} ^{\frac {qV}{kT}}}}.}$

Aquí, los parámetros y son coeficientes de transferencia que describen el intercambio de fotones entre las células. Los coeficientes de transferencia dependen del índice de refracción de las células. También dependen del índice de refracción de las células. Si las células tienen el mismo índice de refracción , entonces . ${\displaystyle T^{-}}$ ${\displaystyle T^{+}}$ ${\displaystyle {\tilde {J}}_{0}^{2}}$ ${\displaystyle n_{\text{r}}}$ ${\displaystyle {\tilde {J}}_{0}^{2}=\left(1+2n_{\text{r}}^{2}\right)\left(J_{0,2}+2n_{\text{r}}^{2}J_{0,1}\right)J_{0,1}}$

Para lograr la máxima eficiencia, cada subcelda debe funcionar con sus parámetros JV óptimos, que no son necesariamente iguales para cada subcelda. Si son diferentes, la corriente total a través de la célula solar es la más baja de las tres. Por aproximación, ^[26] se obtiene la misma relación para la corriente de cortocircuito de la célula solar MJ: J _SC = min( J _SC1 , J _SC2 , J _SC3 ) donde J _{SC i} (λ) es el cortocircuito densidad de corriente a una longitud de onda dada λ para la subcelda i .

Debido a la imposibilidad de obtener J _SC1 , J _SC2 , J _SC3 directamente de la característica JV total, se utiliza la eficiencia cuántica QE (λ). Mide la relación entre la cantidad de pares electrón-hueco creados y los fotones incidentes en una longitud de onda determinada λ. Sea φ _i (λ) el flujo de fotones de la luz incidente correspondiente en la subcelda i y QE _i (λ) sea la eficiencia cuántica de la subcelda i . Por definición, esto equivale a: ^[27]

${\displaystyle QE_{i}(\lambda )={\frac {J_{{\text{SC}}i}(\lambda )}{q\phi _{i}(\lambda )}}\Rightarrow J_{{\text{SC}}i}=\int _{0}^{\lambda 2}q\phi _{i}(\lambda )QE_{i}(\lambda )\,d\lambda }$

El valor de se obtiene relacionándolo con el coeficiente de absorción , es decir, el número de fotones absorbidos por unidad de longitud por un material. Si se supone que cada fotón absorbido por una subcélula crea un par electrón/hueco (lo cual es una buena aproximación), esto conduce a: ^[24] ${\displaystyle QE_{i}(\lambda )}$ ${\displaystyle \alpha (\lambda )}$

${\displaystyle QE_{i}(\lambda )=1-e^{-\alpha (\lambda )d_{i}}}$donde d _i es el espesor de la subcelda i y es el porcentaje de luz incidente que no es absorbida por la subcelda i . ${\displaystyle e^{-\alpha (\lambda )d_{i}}}$

De manera similar, porque

${\displaystyle V=\sum _{i=1}^{3}V_{i}}$, se puede utilizar la siguiente aproximación: . ${\displaystyle V_{\text{OC}}=\sum _{i=1}^{3}V_{{\text{OC}}i}}$

Los valores de entonces vienen dados por la ecuación del diodo JV: ${\displaystyle V_{{\text{OC}}i}}$

${\displaystyle J_{i}=J_{0i}\left(e^{\frac {qV_{i}}{kT}}-1\right)-J_{{\text{SC}}i}\Rightarrow V_{{\text{OC}}i}\approx {\frac {kT}{q}}\ln \left({\frac {J_{{\text{SC}}i}}{J_{0i}}}\right)}$

Eficiencia limitante teórica

Podemos estimar la eficiencia límite de células solares ideales de múltiples uniones infinitas utilizando el análisis gráfico de eficiencia cuántica (QE) inventado por CH Henry. ^[28] Para aprovechar plenamente el método de Henry, la unidad de irradiancia espectral AM1,5 debe convertirse a la de flujo de fotones (es decir, número de fotones/m ² ·s). Para ello, es necesario realizar una conversión unitaria intermedia de la potencia de la radiación electromagnética incidente por unidad de área por energía de fotón al flujo de fotones por energía de fotón (es decir, de [W/m 2 · ^eV ] a [número de fotones/m ² ·s·eV]). Para esta conversión de unidades intermedia, se deben considerar los siguientes puntos: Un fotón tiene una energía distinta que se define de la siguiente manera.

(1): E _ph = hf = h ( c /λ)

donde E _ph es la energía del fotón, h es la constante de Planck ( h = 6,626×10 ⁻³⁴ [J∙s]), c es la velocidad de la luz ( c = 2,998×10 ⁸ [m/s]), f es la frecuencia [1 /s], y λ es la longitud de onda [nm].

Entonces, el flujo de fotones por energía de fotón, d n _ph /d h ν, con respecto a cierta irradiancia E [W/m ² ·eV] se puede calcular de la siguiente manera.

(2): = E [W/m ² ∙eV] × λ [nm]/(1.998×10 ⁻²⁵ [J∙s∙m/s]) = E λ × 5.03×10 ¹⁵ [(n° de fotones )/m ² ∙s∙eV] ${\displaystyle {\frac {dn_{\text{ph}}}{dhv}}={\frac {E}{E_{\text{ph}}}}={\frac {E}{\frac {hc}{\lambda }}}\,}$

Como resultado de esta conversión de unidades intermedias, la irradiancia espectral AM1.5 se da en unidades de flujo de fotones por energía de fotón, [núm. de fotones/m ² ·s·eV], como se muestra en la Figura 1.

• 
  Figura 1. Flujo de fotones por energía de fotón del espectro de energía solar estándar (AM de 1,5).

Con base en el resultado anterior de la conversión de unidades intermedias, podemos derivar el flujo de fotones integrando numéricamente el flujo de fotones por energía de fotón con respecto a la energía de fotón. El flujo de fotones integrado numéricamente se calcula utilizando la regla trapezoidal, como sigue.

(3): ${\displaystyle n_{\text{ph}}(E_{g})=\int _{E_{\text{g}}}^{\infty }{\frac {dn_{\text{ph}}}{dhv}}\,dhv=\sum _{i=E_{\text{g}}}^{\infty }(hv_{i+1}-hv_{i}){\frac {1}{2}}\left[{\frac {dn_{\text{ph}}}{dhv}}(hv_{i+1})+{\frac {dn_{\text{ph}}}{dhv}}(hv_{i})\right]\,}$

Como resultado de esta integración numérica, la irradiancia espectral AM1.5 se da en unidades de flujo de fotones, [número de fotones/m2/s], como se muestra en la Figura 2.

• 
  Figura 2. Flujo de fotones del espectro de energía solar estándar (AM de 1,5).

No hay datos de flujo de fotones en los rangos de energía de fotones pequeños de 0 a 0,3096  eV porque el espectro de energía solar estándar (AM1.5) para h ν < 0,31  eV no está disponible. Sin embargo, independientemente de la falta de disponibilidad de estos datos, el análisis gráfico de QE se puede realizar utilizando los únicos datos disponibles con una suposición razonable de que los semiconductores son opacos para energías de fotones mayores que su energía de banda prohibida, pero transparentes para energías de fotones menores que su energía de banda prohibida. Esta suposición explica la primera pérdida intrínseca en la eficiencia de las células solares, que es causada por la incapacidad de las células solares de unión simple para igualar adecuadamente el amplio espectro de energía solar. Sin embargo, el análisis gráfico actual de QE todavía no puede reflejar la segunda pérdida intrínseca en la eficiencia de las células solares: la recombinación radiativa. Para tener en cuenta la recombinación radiativa, primero debemos evaluar la densidad de corriente radiativa, J _{rad .} Según el método de Shockley y Queisser, ^[29]

J _rad se puede aproximar de la siguiente manera.

(4): ${\displaystyle J_{\text{rad}}=A\exp \left({\frac {eV-E_{\text{g}}}{kT}}\right)\,}$

(5): ${\displaystyle A={\frac {2\pi \,\exp \left(n^{2}+1\right)E_{\text{g}}^{2}kT}{h^{3}c^{2}}}\,}$

donde E _g está en electronvoltios y n se evalúa como 3,6, el valor de GaAs. La radiación térmica incidente absorbida J _th viene dada por J _rad con V = 0.

(6): ${\displaystyle J_{th}=A\exp \left({\frac {-E_{\text{g}}}{kT}}\right)\,}$

La densidad de corriente entregada a la carga es la diferencia de las densidades de corriente debida a la radiación solar y térmica absorbida y la densidad de corriente de la radiación emitida desde la superficie superior o absorbida en el sustrato. Definiendo J _ph = en _ph , tenemos

(7): J = J _ph + J _th − J _rad

El segundo término, J _th , es insignificante en comparación con J _ph para todos los semiconductores con E _g ≥ 0,3  eV, como se puede demostrar mediante la evaluación de la ecuación J _th anterior . Por lo tanto, descuidaremos este término para simplificar la siguiente discusión. Entonces podemos expresar J de la siguiente manera.

(8): ${\displaystyle J=en_{\text{ph}}-A\exp \left({\frac {eV-E_{\text{g}}}{kT}}\right)\,}$

El voltaje de circuito abierto se encuentra configurando J = 0.

(9): ${\displaystyle eV_{\text{OC}}=E_{\text{g}}-kT\ln \left({\frac {A}{en_{\text{ph}}}}\right)\,}$

El punto de máxima potencia ( J _m , V _m ) se encuentra estableciendo la derivada . El resultado familiar de este cálculo es ${\displaystyle {\frac {dJV}{dV}}\,=0}$

(10): ${\displaystyle eV_{\text{m}}=eV_{\text{OC}}-kT\ln \left(1+{\frac {eV_{\text{m}}}{kT}}\right)\,}$

(11): ${\displaystyle J_{\text{m}}={\frac {en_{\text{ph}}}{1+kT/eV_{\text{m}}}}\,}$

Finalmente, el trabajo máximo ( _Wm ) realizado por fotón absorbido, Wm viene dado por

(12): ${\displaystyle W_{\text{m}}={\frac {J_{\text{m}}V_{\text{m}}}{n_{\text{ph}}}}\,={\frac {eV_{\text{m}}}{1+kT/eV_{\text{m}}}}\,=eV_{\text{m}}-kT}$

Combinando las últimas tres ecuaciones, tenemos

(13): ${\displaystyle W_{\text{m}}=E_{\text{g}}-kT\left[\ln \left({\frac {A}{en_{\text{ph}}}}\right)+\ln \left(1+{\frac {eV_{\text{m}}}{kT}}\right)+1\right]\,}$

Usando la ecuación anterior, W _m (línea roja) se traza en la Figura 3 para diferentes valores de E _g (o n _ph ).

• 
  Figura 3. Trabajo máximo de células solares ideales de múltiples uniones infinitas bajo irradiancia espectral estándar AM1.5.

Ahora podemos utilizar plenamente el análisis gráfico de QE de Henry, teniendo en cuenta las dos principales pérdidas intrínsecas en la eficiencia de las células solares. Las dos principales pérdidas intrínsecas son la recombinación radiativa y la incapacidad de las células solares de unión simple para igualar adecuadamente el amplio espectro de energía solar. El área sombreada debajo de la línea roja representa el trabajo máximo realizado por células solares ideales de múltiples uniones infinitas. Por lo tanto, se evalúa que la eficiencia límite de las células solares ideales de múltiples uniones infinitas es del 68,8% comparando el área sombreada definida por la línea roja con el área total de flujo de fotones determinada por la línea negra. (Es por eso que este método se llama análisis QE "gráfico".) Aunque este valor límite de eficiencia es consistente con los valores publicados por Parrott y Vos en 1979: 64% y 68,2% respectivamente, ^{[30] [31]} hay una pequeña brecha entre el valor estimado en este informe y los valores de la literatura. Esta pequeña diferencia probablemente se deba a las diferentes formas de aproximar el flujo de fotones entre 0 y 0,3096  eV. Aquí, aproximamos el flujo de fotones a 0–0,3096  eV igual que el flujo de fotones a 0,31  eV.

Materiales

La mayoría de las celdas multiunión que se han producido hasta la fecha utilizan tres capas (aunque se han producido muchos módulos tándem a-Si:H/mc-Si y están ampliamente disponibles). Sin embargo, las celdas de triple unión requieren el uso de semiconductores que puedan sintonizarse a frecuencias específicas, lo que ha llevado a que la mayoría de ellas estén hechas de compuestos de arseniuro de galio (GaAs), a menudo germanio para las inferiores, GaAs para las medias y GaInP ₂ para la celda superior.

Sustrato de arseniuro de galio

Se pueden fabricar células de doble unión con obleas de arseniuro de galio. Las aleaciones de fosfuro de indio y galio en el rango de In _.5 Ga _.5 P a In _.53 Ga _.47 P sirven como aleación de banda prohibida alta. Esta gama de aleaciones proporciona la capacidad de tener bandas prohibidas en el rango de 1,92 a 1,87  eV. La unión inferior de GaAs tiene una banda prohibida de 1,42  eV. ^{[ cita necesaria ]}

sustrato de germanio

Las células de triple unión que consisten en fosfuro de indio y galio (InGaP), arseniuro de galio (GaAs) o arseniuro de indio y galio (InGaAs) y germanio (Ge) se pueden fabricar en obleas de germanio. Las primeras células utilizaban arseniuro de galio puro en la unión media. Las células posteriores han utilizado In _0,015 Ga _0,985 As, debido a la mejor coincidencia de la red con el Ge, lo que da como resultado una menor densidad de defectos. ^{[ cita necesaria ]}

Debido a la enorme diferencia de banda prohibida entre GaAs (1,42  eV) y Ge (0,66  eV), la coincidencia actual es muy pobre, y la unión de Ge funciona con una corriente significativamente limitada. ^{[ cita necesaria ]}

La eficiencia actual de las células comerciales de InGaP/GaAs/Ge se acerca al 40% bajo luz solar concentrada. ^{[32] [33]} Las células de laboratorio (que utilizan en parte uniones adicionales entre la unión de GaAs y Ge) han demostrado eficiencias superiores al 40%. ^[34]

Sustrato de fosfuro de indio

El fosfuro de indio se puede utilizar como sustrato para fabricar células con bandas prohibidas entre 1,35  eV y 0,74  eV. El fosfuro de indio tiene una banda prohibida de 1,35  eV. El arseniuro de indio y galio (en _0,53 Ga _{y 0,47} As) está emparejado en red con el fosfuro de indio con una banda prohibida de 0,74  eV. Una aleación cuaternaria de fosfuro de arseniuro de indio y galio puede combinarse en red para cualquier banda prohibida entre las dos. ^{[ cita necesaria ]}

Las células basadas en fosfuro de indio tienen el potencial de funcionar en conjunto con células de arseniuro de galio. Las dos celdas se pueden conectar ópticamente en serie (con la celda de InP debajo de la celda de GaAs) o en paralelo mediante el uso de división de espectros mediante un filtro dicroico . ^{[ cita necesaria ]}

Sustrato de nitruro de indio y galio

El nitruro de galio e indio (InGaN) es un material semiconductor hecho de una mezcla de nitruro de galio (GaN) y nitruro de indio (InN). Es un semiconductor de banda prohibida directa del grupo III-V ternario . Su banda prohibida se puede ajustar variando la cantidad de indio en la aleación de 0,7 eV a 3,4 eV, lo que lo convierte en un material ideal para células solares. ^[35] Sin embargo, sus eficiencias de conversión debido a factores tecnológicos no relacionados con la banda prohibida todavía no son lo suficientemente altas como para ser competitivos en el mercado. ^{[36] [37]}

Mejoras de rendimiento

Estructura

Muchas células fotovoltaicas de MJ utilizan materiales semiconductores III-V . Los diodos túnel de heterounión basados ​​en GaAsSb , en lugar de los diodos túnel altamente dopados InGaP convencionales descritos anteriormente, tienen una distancia de túnel más baja. De hecho, en la heteroestructura formada por GaAsSb e InGaAs , la banda de valencia de GaAsSb es más alta que la banda de valencia de la capa dopada con p contigua. ^[22] En consecuencia, la distancia de tunelización d _túnel se reduce y, por tanto, la corriente de tunelización, que depende exponencialmente de d _túnel , aumenta. Por lo tanto, el voltaje es menor que el de la unión del túnel InGaP. Los diodos túnel de heterounión GaAsSb ofrecen otras ventajas. Se puede lograr la misma corriente utilizando un dopaje más bajo. ^[38] En segundo lugar, debido a que la constante de red es mayor para GaAsSb que para Ge, se puede usar una gama más amplia de materiales para la celda inferior porque hay más materiales que coinciden en red con GaAsSb que con Ge. ^[22]

Se pueden agregar componentes químicos a algunas capas. Agregar alrededor del uno por ciento de indio en cada capa coincide mejor con las constantes de red de las diferentes capas. ^[39] Sin él, hay aproximadamente un 0,08 por ciento de desajuste entre capas, lo que inhibe el rendimiento. Agregar aluminio a la celda superior aumenta su banda prohibida a 1,96  eV, ^[39] cubriendo una mayor parte del espectro solar y obteniendo un voltaje de circuito abierto V _OC más alto .

La eficiencia teórica de las células solares MJ es del 86,8% para un número infinito de uniones pn, ^[14] lo que implica que más uniones aumentan la eficiencia. La eficiencia teórica máxima es 37, 50, 56, 72% para 1, 2, 3, 36 uniones pn adicionales, respectivamente, y el número de uniones aumenta exponencialmente para lograr incrementos de eficiencia iguales. ^[24] La relación exponencial implica que a medida que la celda se acerca al límite de eficiencia, el aumento del costo y la complejidad crecen rápidamente. Disminuir el espesor de la celda superior aumenta el coeficiente de transmisión T. ^[24]

Se puede agregar una heterocapa de InGaP entre la capa de p-Ge y la capa de InGaAs para crear automáticamente la capa de n-Ge mediante dispersión durante el crecimiento de MOCVD y aumentar significativamente la eficiencia cuántica QE (λ) de la celda inferior. ^[39] InGaP es ventajoso debido a su alto coeficiente de dispersión y baja solubilidad en Ge.

Actualmente, existen varias tecnologías comerciales (no de perovskita) de uniones múltiples, incluidos tándems y módulos de unión triple y cuádruple que normalmente utilizan semiconductores III-V, con una eficiencia de conversión de energía prometedora que rivaliza e incluso supera a las células solares de silicio de referencia. ^{[40] [41]}

Variaciones espectrales

El espectro solar en la superficie de la Tierra cambia constantemente según el clima y la posición del sol. Esto da como resultado la variación de φ(λ), _QE ( λ), α(λ) y, por tanto, las corrientes de cortocircuito JSC _i . Como resultado, las densidades de corriente _Ji no coinciden necesariamente y la corriente total disminuye. Estas variaciones se pueden cuantificar utilizando la energía fotónica promedio (APE), que es la relación entre la irradiancia espectral G (λ) (la densidad de potencia de la fuente de luz en una longitud de onda específica λ) y la densidad de flujo total de fotones. Se puede demostrar que un valor alto (bajo) para APE significa condiciones espectrales de longitudes de onda bajas (altas) y eficiencias más altas (menores). ^[42] Por lo tanto, APE es un buen indicador para cuantificar los efectos de las variaciones del espectro solar en el rendimiento y tiene la ventaja adicional de ser independiente de la estructura del dispositivo y del perfil de absorción del dispositivo. ^[42]

Uso de concentradores de luz.

Los concentradores de luz aumentan la eficiencia y reducen la relación costo/eficiencia. Los tres tipos de concentradores de luz que se utilizan son lentes refractivas como lentes de Fresnel , platos reflectantes (parabólicos o cassegraine) y ópticas guía de luz . Gracias a estos dispositivos, la luz que llega a una gran superficie se puede concentrar en una célula más pequeña. La relación de concentración de intensidad (o "soles") es la intensidad promedio de la luz enfocada dividida por 1 kW/m ² (valor razonable relacionado con la constante solar ). Si su valor es X , entonces la corriente de MJ aumenta X bajo iluminación concentrada. ^{[43] [44]}

El uso de concentraciones del orden de 500 a 1000, lo que significa que una celda de 1 cm ² puede usar la luz recolectada de 0,1  m ² (ya que 1  m ² equivale a 10 000 cm ² ), produce las eficiencias más altas vistas hasta la fecha. Las células de tres capas se limitan básicamente al 63%, pero los prototipos comerciales existentes ya han demostrado que superan el 40%. ^{[45] [46]} Estas celdas capturan aproximadamente 2/3 de su rendimiento máximo teórico, por lo que suponiendo que lo mismo sea cierto para una versión no concentrada del mismo diseño, se podría esperar una celda de tres capas con una eficiencia del 30%. Esta no es una ventaja suficiente sobre los diseños tradicionales de silicio para compensar sus costos de producción adicionales. Por este motivo, casi toda la investigación sobre células multiunión para uso terrestre se dedica a sistemas concentradores, utilizando normalmente espejos o lentes de Fresnel.

El uso de un concentrador también tiene el beneficio adicional de que la cantidad de celdas necesarias para cubrir una cantidad determinada de área de terreno se reduce considerablemente. Un sistema convencional que cubra 1  m ² requeriría 625 celdas de 16 cm ² , pero para un sistema concentrador sólo se necesita una celda, junto con un concentrador. El argumento a favor de las células multiunión concentradas ha sido que el alto coste de las propias células quedaría más que compensado por la reducción del número total de células. Sin embargo, la desventaja del enfoque del concentrador es que la eficiencia cae muy rápidamente en condiciones de iluminación más bajas. Para maximizar su ventaja sobre las células tradicionales y así ser competitivo en costes, el sistema concentrador tiene que seguir el movimiento del sol para mantener la luz enfocada en la célula y mantener la máxima eficiencia el mayor tiempo posible. Esto requiere un sistema de seguimiento solar , que aumenta el rendimiento, pero también el coste.

Fabricación

En 2014, las células de uniones múltiples eran costosas de producir y utilizaban técnicas similares a la fabricación de dispositivos semiconductores , generalmente epitaxia metalorgánica en fase de vapor , pero en tamaños de "chips" del orden de centímetros.

Ese año se anunció una nueva técnica que permitía a dichas células utilizar un sustrato de vidrio o acero, vapores de menor costo en cantidades reducidas que, según se afirmaba, ofrecían costos competitivos con las células de silicio convencionales. ^[47]

Comparación con otras tecnologías.

Hay cuatro categorías principales de células fotovoltaicas: células convencionales de silicio mono y policristalino (c-Si), células solares de película delgada (a-Si, CIGS y CdTe) y células solares de uniones múltiples (MJ). La cuarta categoría, energía fotovoltaica emergente , contiene tecnologías que aún se encuentran en fase de investigación o desarrollo y no figuran en la siguiente tabla.

Las células solares MJ y otros dispositivos fotovoltaicos tienen diferencias significativas (consulte la tabla anterior) . Físicamente, la propiedad principal de una célula solar MJ es tener más de una unión pn para captar un espectro de energía de fotones más grande, mientras que la propiedad principal de una célula solar de película delgada es utilizar películas delgadas en lugar de capas gruesas para disminuir la relación costo-eficiencia. A partir de 2010 ^[update], los paneles solares de MJ son más caros que otros. Estas diferencias implican diferentes aplicaciones: las células solares MJ se prefieren en el espacio y las células solares c-Si para aplicaciones terrestres.

Gráfico del Laboratorio Nacional de Energías Renovables sobre la eficiencia de las células solares a lo largo del tiempo.

Las eficiencias de las células solares y la tecnología solar de Si son relativamente estables, mientras que las eficiencias de los módulos solares y la tecnología de uniones múltiples están progresando. ^{[ cita necesaria ]}

Las mediciones en células solares de MJ se suelen realizar en el laboratorio, utilizando concentradores de luz (a menudo este no es el caso para las otras células) y en condiciones de prueba estándar (STC). Los STC prescriben, para aplicaciones terrestres, el espectro AM1,5 como referencia. Esta masa de aire (AM) corresponde a una posición fija del sol en el cielo de 48° y una potencia fija de 833  W/m ² . Por lo tanto, en el STC no se tienen en cuenta las variaciones espectrales de la luz incidente ni los parámetros ambientales. ^[48]

En consecuencia, el rendimiento de las células solares MJ en ambientes exteriores es inferior al logrado en laboratorio. Además, las células solares MJ están diseñadas de manera que las corrientes coincidan bajo STC, pero no necesariamente bajo condiciones de campo. ^{[ cita necesaria ]} Se puede utilizar QE (λ) para comparar el rendimiento de diferentes tecnologías, pero QE (λ) no contiene información sobre la coincidencia de corrientes de subcélulas. Un punto de comparación alternativo importante es la potencia de salida por unidad de área generada con la misma luz incidente. ^{[ cita necesaria ]}

Aplicaciones

En 2010, el costo de las células solares MJ era demasiado alto para permitir su uso fuera de aplicaciones especializadas. El elevado coste se debe principalmente a la compleja estructura y al elevado precio de los materiales. Sin embargo, con concentradores de luz con una iluminación de al menos 400 soles, los paneles solares MJ resultan prácticos. ^[24]

A medida que se disponga de materiales de uniones múltiples menos costosos, otras aplicaciones implican la ingeniería de banda prohibida para microclimas con condiciones atmosféricas variadas. ^[49]

Actualmente, las células MJ se están utilizando en las misiones del rover a Marte . ^[50]

El entorno en el espacio es bastante diferente. Como no hay atmósfera, el espectro solar es diferente (AM0). Las células tienen una mala coincidencia de corriente debido a un mayor flujo de fotones por encima de 1,87  eV frente a aquellos entre 1,87  eV y 1,42  eV. Esto da como resultado muy poca corriente en la unión de GaAs y obstaculiza la eficiencia general, ya que la unión InGaP opera por debajo de la corriente MPP y la unión GaAs opera por encima de la corriente MPP. Para mejorar la coincidencia actual, la capa de InGaP se adelgaza intencionalmente para permitir que fotones adicionales penetren hasta la capa inferior de GaAs. ^{[ cita necesaria ]}

En aplicaciones de concentración terrestre, la dispersión de la luz azul por la atmósfera reduce el flujo de fotones por encima de 1,87  eV, equilibrando mejor las corrientes de unión. Las partículas de radiación que ya no se filtran pueden dañar la célula. Hay dos tipos de daño: ionización y desplazamiento atómico. ^[51] Aún así, las células MJ ofrecen mayor resistencia a la radiación, mayor eficiencia y un coeficiente de temperatura más bajo. ^[24]

Ver también

• Portal de energías renovables
• Portal de energía

• Lista de materiales semiconductores
• Concentrador fotovoltaico (CVP)
• Célula fotovoltaica orgánica
• diodo PIN
• Micromorfo (célula en tándem a-Si/μc-Si)

Referencias

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Otras lecturas

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