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 brechas de banda de diferentes materiales

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

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

A partir de 2024, los mejores ejemplos de laboratorio de células solares tradicionales de silicio cristalino (c-Si) tenían eficiencias de hasta el 27,1%, ^[4] mientras que los ejemplos de laboratorio de células multiunión han demostrado un rendimiento superior al 46% bajo luz solar concentrada. ^{[5] [6] [7]} Los ejemplos comerciales de células tándem están ampliamente disponibles al 30% bajo la iluminación de un solo sol, ^{[8] [9]} y mejoran a alrededor del 40% bajo luz solar concentrada. Sin embargo, esta eficiencia se obtiene a costa de una mayor complejidad y un mayor precio de fabricación. Hasta la fecha, su mayor precio y su mayor relación precio-rendimiento han limitado su uso a funciones especiales, especialmente en la industria aeroespacial , donde su alta relación potencia-peso es deseable. En aplicaciones terrestres, estas células solares están surgiendo en la energía fotovoltaica de concentración (CPV), pero no pueden competir con los paneles solares de unión simple a menos que se requiera una mayor densidad de potencia. ^[10]

Las técnicas de fabricación en tándem se han utilizado 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 , en lugar del silicio cristalino convencional, para producir una célula con una eficiencia de alrededor del 10% que es liviana y flexible. Este enfoque ha sido utilizado por varios proveedores comerciales, ^[11] pero estos productos actualmente están limitados a ciertas funciones específicas, como los materiales para techos.

Descripción

Conceptos básicos de las células solares

Figura A. Diagrama de bandas que ilustra el efecto fotovoltaico . Los fotones ceden su energía a los electrones en las regiones de agotamiento o cuasi-neutrales. Estos se mueven desde la banda de valencia a la banda de conducción . Dependiendo de la ubicación, los electrones y los huecos son acelerados por E _drift , que da una fotocorriente de generación , o por E _scatt , que da una 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 se aplica normalmente a una capa fina en la parte superior de la célula, lo que produce una unión p–n con una energía de banda prohibida particular , E _g .

Los fotones que golpean la parte superior de la célula solar se reflejan o se transmiten a la célula. Los fotones transmitidos tienen el potencial de dar su energía, hν , a un electrón si hν ≥ E _g , generando un par electrón- hueco . ^[13] En la región de agotamiento, el campo eléctrico de deriva E _drift acelera tanto a los electrones como a los huecos hacia sus respectivas regiones dopadas n y p (arriba y abajo, respectivamente). La corriente resultante I _g se llama fotocorriente generada . En la región cuasi-neutral, el campo eléctrico de dispersión E _scatt acelera los huecos (electrones) hacia la región dopada p (dopada n), 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 para esta fotocorriente se obtiene sumando las fotocorrientes de generación y dispersión: I _ph = I _g + I _nscatt + I _pscatt .

Las características JV ( J es la densidad de corriente, es decir, la corriente por unidad de área) de una célula solar bajo iluminación se obtienen desplazando hacia abajo las características JV de un diodo en la oscuridad 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 ) se encuentra 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 única. Es esencialmente imposible que una célula solar de unión única, bajo luz solar no concentrada, tenga una eficiencia superior al 34 %. Sin embargo, una célula de unión múltiple puede superar 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 el límite de Shockley-Queisser . El límite describe varios mecanismos de pérdida que son inherentes a cualquier diseño de célula solar.

Las primeras son las pérdidas debidas a la radiación de cuerpo negro , un mecanismo de pérdida 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. La segunda es un efecto conocido como "recombinación", donde los electrones creados por el efecto fotoeléctrico se encuentran con los huecos de electrones dejados por excitaciones anteriores. En el silicio, esto representa otro 10% de la potencia.

Sin embargo, el mecanismo de pérdida dominante es la incapacidad de una célula solar de extraer toda la potencia de la luz y el problema asociado de que no puede extraer ninguna potencia 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. Este es un factor importante para las células solares convencionales, que no son sensibles a la mayor parte del espectro infrarrojo , aunque éste representa casi la mitad de la energía procedente del sol. Por el contrario, los fotones con más energía que la banda prohibida, por ejemplo 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 célula, lo que tiene el efecto secundario de aumentar aún más las pérdidas de cuerpo negro. ^[15]

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

Los materiales con una banda prohibida más estrecha (también llamada banda prohibida más baja) convertirán fotones de energía más baja y de longitud de onda más larga. Los materiales con una banda prohibida más ancha (o más alta) convertirán luz de energía más alta y de longitud de onda más corta. Un análisis del espectro AM1.5 muestra que el mejor equilibrio se alcanza a aproximadamente 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 otros semiconductores útiles.

Células de unión múltiple

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 la relajación, como se describió anteriormente.

Por ejemplo, si se tiene 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 de la luz roja, amarilla y naranja se perdería solo en la banda prohibida del material sensible al rojo. Siguiendo un análisis similar a los realizados para dispositivos con una sola banda prohibida, se puede demostrar que las bandas prohibidas perfectas para un dispositivo con dos bandas prohibidas están en 0,77  eV y 1,70  eV. ^[16]

Convenientemente, la luz de una longitud de onda particular no interactúa fuertemente con materiales que tienen una banda prohibida mayor. Esto significa que se puede hacer una celda con múltiples uniones colocando capas de diferentes materiales una sobre otra, con las longitudes de onda más cortas (la banda prohibida mayor) en la "parte superior" y aumentando a través del cuerpo de la celda. Como los fotones tienen que atravesar la celda para llegar a la capa adecuada para ser absorbidos, se deben utilizar conductores transparentes para recolectar los electrones que se generan en cada capa.

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

La producción de una célula en tándem no es una tarea fácil, en gran medida 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 delgada 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 célula "integrada monolíticamente", en la que la célula 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 se absorberán entre capas. Esto limita su construcción a ciertos materiales, que se cumplen mejor con los semiconductores III-V . ^[17]

Elección del material

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

Para lograr un crecimiento óptimo y la calidad resultante del cristal, 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 de red. Sin embargo, un mayor grado de desajuste u otras imperfecciones del 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 se ordenan con intervalos de banda decrecientes , E _g , lo que permite que la luz de subbanda prohibida ( hc / λ < eE _g ) se transmita a las subceldas inferiores. Por lo tanto, se deben elegir intervalos de banda prohibidos adecuados de modo que el espectro de diseño equilibre la generación de corriente en cada una de las subceldas, logrando la coincidencia de corriente. La Figura C(b) representa gráficamente la irradiancia espectral E ( λ ), que es la densidad de potencia de la fuente a una longitud de onda dada λ . Se representa gráficamente junto con la eficiencia de conversión máxima para cada unión en función de la longitud de onda, que está directamente relacionada con el número de fotones disponibles para la conversión en fotocorriente.

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

Los valores favorables de la tabla siguiente justifican la elección de los materiales que se suelen utilizar para las células solares multiunión: InGaP para la subcelda superior ( E _g = 1,8–1,9  eV), InGaAs para la subcelda 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 coste, abundancia y facilidad de producción.

Debido a que las diferentes capas están estrechamente emparejadas en su red, la fabricación del dispositivo generalmente emplea deposición química en fase de vapor de metal orgánico (MOCVD). Esta técnica es preferible a la epitaxia de haz molecular (MBE) porque garantiza una alta calidad del 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 célula 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 , el atrapamiento de la luz en el material (porque los fotones no pueden salir fácilmente de la estructura MJ debido a las pirámides) y, por lo tanto, la longitud del camino de los fotones en el material. ^[12] Por un lado, el espesor de cada capa AR se elige para obtener interferencias destructivas. Por lo 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 (normalmente TiO
₂), debe haber las mismas amplitudes para los campos reflejados y n _L1 d _L1 = 4 λ _min , n _L2 d _L2 = λ _min /4 para tener fase opuesta 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 al igualar las corrientes de las tres subceldas. ^[20] Como ejemplo, debido a que la corriente generada por la celda inferior es mayor que las corrientes generadas por las otras celdas, el espesor de las capas AR se ajusta de modo que la transmisión infrarroja (IR) (que corresponde a la celda inferior) se degrade mientras que la transmisión ultravioleta (que corresponde a la celda superior) se mejora. En particular, un recubrimiento AR es muy importante en longitudes de onda bajas porque, sin él, T se reduciría fuertemente al 70%. ${\displaystyle n_{\text{L2}}=n_{\text{AlInP}}^{\frac {1}{2}}n_{\text{L1}}}$

Uniones de túneles

Figura D: Diagrama de capas y bandas de la unión túnel. Debido a que la longitud de la región de agotamiento es estrecha y la brecha de banda es alta, los electrones pueden hacer efecto túnel.

El objetivo principal de las uniones túnel es proporcionar una conexión de baja resistencia eléctrica y baja pérdida óptica entre dos subceldas. ^[21] Sin ella, la región dopada p de la celda superior estaría conectada directamente con la región dopada n de la celda intermedia. Por lo tanto, aparecería una unión pn con dirección opuesta a las demás entre la celda superior y la celda intermedia. En consecuencia, el fotovoltaje sería menor que si no hubiera diodo parásito . Para disminuir este efecto, se utiliza una unión túnel. ^[22] Es simplemente un diodo altamente dopado con una brecha de banda ancha. 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 mediante un túnel. La característica JV de la unión túnel es muy importante porque explica por qué las uniones túnel se pueden utilizar para tener una conexión de baja resistencia eléctrica entre dos uniones pn. La figura D muestra tres regiones diferentes: la región de tunelización, la región de resistencia diferencial negativa y la región de difusión térmica. La región donde los electrones pueden atravesar la barrera mediante un túnel se denomina región de tunelización. Allí, el voltaje debe ser lo suficientemente bajo para que la energía de algunos electrones que están haciendo un túnel sea igual a los estados de energía disponibles en el otro lado de la barrera. En consecuencia, la densidad de corriente a través de la unión túnel es alta (con un valor máximo de , la densidad de corriente pico) y, por lo tanto, la pendiente cerca del origen es pronunciada. Entonces, la resistencia es extremadamente baja y, en consecuencia, también el voltaje . ^[23] Es por esto que las uniones túnel son ideales para conectar dos uniones pn sin tener una caída de voltaje. Cuando el voltaje es más alto, los electrones no pueden cruzar la barrera porque los estados de energía ya no están disponibles para los electrones. Por lo tanto, la densidad de corriente disminuye y la resistencia diferencial es negativa. La última región, llamada 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 túnel deben ser transparentes a las longitudes de onda absorbidas por la siguiente célula fotovoltaica, la célula intermedia, 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 ventana. La recombinación superficial se reduce. (b) Capas y diagrama de bandas de una capa BSF. La dispersión de portadores se reduce.

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 portadores hacia la unión túnel. La estructura de estas dos capas es la misma: es una heterojunción 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 heterojunción porque no tienen suficiente energía, como se ilustra en la figura E. Por lo tanto, los electrones (huecos) no pueden recombinarse con los 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 JV

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 está 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. Nótese 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 unión múltiple (no los valores medidos para celdas de unión simple de los respectivos tipos de celda). 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, está 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 celda solar es la más baja de las tres. Por aproximación, ^[26] resulta en la misma relación para la corriente de cortocircuito de la celda solar MJ: J _SC = min( J _SC1 , J _SC2 , J _SC3 ) donde J _{SC i} ( λ ) es la densidad de corriente de cortocircuito 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 dada λ . Sea φ _i ( λ ) el flujo de fotones de la luz incidente correspondiente en la subcelda i y QE _i ( λ ) 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 subcelda crea un par electrón/hueco (lo cual es una buena aproximación), esto lleva 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 se dan entonces mediante 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 límite teórica

Podemos estimar la eficiencia límite de células solares multiunión infinitas ideales utilizando el análisis gráfico de eficiencia cuántica (QE) inventado por CH Henry. ^[28] Para aprovechar al máximo el método de Henry, la unidad de la irradiancia espectral AM1.5 debe convertirse a la del flujo de fotones (es decir, número de fotones/m ² ·s). Para hacer eso, es necesario realizar una conversión de unidad 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 unidad 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⋅Hz ⁻¹ ), c ​​es la velocidad de la luz ( c  = 299 792 458  m⋅s ⁻¹ ), f es la frecuencia y λ es la longitud de onda.

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]) = Eλ × 5,03 × 10 ¹⁵ [(n.º 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 unidad intermedia, la irradiancia espectral AM1.5 se da en unidades de flujo de fotones por energía de fotón, [n.º 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 mediante la integración numérica del 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, de la siguiente manera.

(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/m ² /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 hν < 0,31  eV no está disponible. Sin embargo, independientemente de esta falta de disponibilidad de datos, el análisis QE gráfico 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 adaptarse adecuadamente al amplio espectro de energía solar. Sin embargo, el análisis QE gráfico actual aún 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 para GaAs. La radiación térmica incidente absorbida J _th está 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 debidas 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 despreciable 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, ignoraremos este término para simplificar la siguiente discusión. Luego 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 obtiene estableciendo 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 obtiene fijando la derivada . El resultado conocido 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 ( W _m ) realizado por fotón absorbido 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 tres últimas ecuaciones, tenemos

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

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

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

Ahora, podemos utilizar plenamente el análisis gráfico de la eficiencia 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 adaptarse adecuadamente al amplio espectro de energía solar. El área sombreada bajo la línea roja representa el trabajo máximo realizado por las células solares de unión múltiple infinitas ideales. Por lo tanto, la eficiencia límite de las células solares de unión múltiple infinitas ideales se evalúa en 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 gráfico de la eficiencia de la energía). Aunque este valor de eficiencia límite 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 en el rango de 0 a 0,3096  eV. Aquí, aproximamos el flujo de fotones en el rango de 0 a 0,3096  eV como el mismo que el flujo de fotones en el rango de 0,31  eV.

Materiales

La mayoría de las celdas de unión múltiple que se han producido hasta la fecha utilizan tres capas (aunque se han producido muchos módulos tándem a-Si:H/mc-Si que están ampliamente disponibles). Sin embargo, las celdas de triple unión requieren el uso de semiconductores que se puedan sintonizar 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 la celda inferior, GaAs para la celda intermedia y GaInP ₂ para la celda superior.

Sustrato de arseniuro de galio

Las celdas de unión dual se pueden fabricar en obleas de arseniuro de galio. Las aleaciones de fosfuro de indio y galio en el rango In _0,5 Ga _0,5 P a In _0,53 Ga _0,47 P sirven como aleación de banda prohibida alta. Este rango de aleación permite tener bandas prohibidas en el rango de 1,92 a 1,87  eV. La unión GaAs inferior tiene una banda prohibida de 1,42  eV. ^{[ cita requerida ]}

Sustrato de germanio

Las celdas 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 celdas usaban arseniuro de galio puro en la unión intermedia. Las celdas posteriores han utilizado In _0,015 Ga _0,985 As, debido a la mejor adaptación de la red al Ge, lo que da como resultado una menor densidad de defectos. ^{[ cita requerida ]}

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

Las eficiencias actuales de las células comerciales InGaP/GaAs/Ge se acercan al 40 % bajo luz solar concentrada. ^{[32] [33]} Las células de laboratorio (que utilizan en parte uniones adicionales entre la unión 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 celdas con intervalos de banda entre 1,35  eV y 0,74  eV. El fosfuro de indio tiene un intervalo de banda de 1,35  eV. El arseniuro de indio y galio (In _0,53 Ga _0,47 As) tiene una red adaptada al fosfuro de indio con un intervalo de banda de 0,74  eV. Una aleación cuaternaria de fosfuro de arseniuro de indio y galio se puede adaptar en red para cualquier intervalo de banda entre los dos. ^{[ cita requerida ]}

Las celdas basadas en fosfuro de indio tienen el potencial de funcionar en conjunto con celdas 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 la división de espectros con un filtro dicroico . ^{[ cita requerida ]}

Sustrato de nitruro de indio y galio

El nitruro de indio y galio (InGaN) es un material semiconductor hecho de una mezcla de nitruro de galio (GaN) y nitruro de indio (InN). Es un semiconductor ternario de banda prohibida directa del grupo III-V . 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 aún no son lo suficientemente altas como para ser competitivas en el mercado. ^{[36] [37]}

Mejoras de rendimiento

Estructura

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

Se pueden añadir componentes químicos a algunas capas. Si se añade aproximadamente un uno por ciento de indio en cada capa, se consigue una mejor correspondencia de las constantes reticulares de las diferentes capas. ^[39] Sin él, hay un desajuste de alrededor del 0,08 por ciento entre capas, lo que inhibe el rendimiento. Si se añade aluminio a la celda superior, se aumenta su intervalo de banda a 1,96  eV, ^[39] lo que cubre una parte mayor del espectro solar y se obtiene un voltaje de circuito abierto más alto V _OC .

La eficiencia teórica de las células solares MJ es del 86,8 % para un número infinito de uniones pn, ^[14] lo que implica que cuantas más uniones haya, mayor será la eficiencia. La eficiencia teórica máxima es del 37, 50, 56 y 72 % para 1, 2, 3 y 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 célula se acerca al límite de eficiencia, el aumento de los costes y la complejidad aumentan rápidamente. Al disminuir el grosor de la célula superior, aumenta el coeficiente de transmisión T. [ ^24]

Se puede agregar una heterocapa de InGaP entre la capa p-Ge y la capa de InGaAs para crear automáticamente la capa 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.

En la actualidad, existen varias tecnologías comerciales de unión múltiple (no perovskitas ), incluidos tándems y módulos de unión triple y cuádruple que generalmente 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 dependiendo del clima y la posición del sol. Esto da como resultado la variación de φ ( λ ), QE ( λ ), α ( λ ) y, por lo tanto, las corrientes de cortocircuito J _{SC i} . Como resultado, las densidades de corriente J _i no coinciden necesariamente y la corriente total se vuelve menor. 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 fotónico total. Se puede demostrar que un valor alto (bajo) para APE significa condiciones espectrales de longitudes de onda bajas (altas) y eficiencias más altas (más bajas). ^[42] Por lo tanto, la 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 las lentes de Fresnel , platos reflectantes (parabólicos o cassegraine) y ópticas de guía de luz . Gracias a estos dispositivos, la luz que llega a una gran superficie se puede concentrar en una celda 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 MJ se vuelve X más alta bajo iluminación concentrada. ^{[43] [44]}

^{Utilizando concentraciones del orden de 500 a 1000, lo que significa que una célula de 1 cm2 puede utilizar la luz recogida de 0,1 m2 (} ya ^que 1  m2 equivale a 10000 cm2 ⁾ , se obtienen las mayores eficiencias vistas hasta la fecha. Las células de tres capas están limitadas fundamentalmente al 63%, pero los prototipos comerciales existentes ya han demostrado más del 40%. ^{[45] [46]} Estas células capturan alrededor de 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 célula de tres capas con una eficiencia del 30%. Esta no es una ventaja suficiente sobre los diseños tradicionales de silicio para compensar sus costes de producción adicionales. Por esta razón, casi toda la investigación sobre células multiunión para uso terrestre se dedica a sistemas concentradores, normalmente utilizando espejos o lentes de Fresnel. 

El uso de un concentrador también tiene la ventaja añadida de que se reduce considerablemente el número de células necesarias para cubrir una determinada superficie de terreno. Un sistema convencional que cubra 1 ^m2  requeriría 625 células de 16 cm2 ^, pero para un sistema de concentración sólo se necesita una única célula, junto con un concentrador. El argumento a favor de las células multiunión concentradas ha sido que el alto coste de las propias células se vería más que compensado por la reducción del número total de células. Sin embargo, la desventaja del enfoque de concentración es que la eficiencia disminuye muy rápidamente en condiciones de menor iluminación. Para maximizar su ventaja sobre las células tradicionales y, por tanto, ser competitivo en cuanto a costes, el sistema de concentración tiene que seguir el movimiento del sol para mantener la luz centrada en la célula y mantener la máxima eficiencia durante el mayor tiempo posible. Esto requiere un sistema de seguimiento solar , que aumenta el rendimiento, pero también el coste.

Fabricación

A partir de 2014, las células multiunión eran costosas de producir, y se utilizaban técnicas similares a las de fabricación de dispositivos semiconductores , generalmente epitaxia en fase de vapor metalorgánico , 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, se afirmaba, ofrecían costos competitivos con las células de silicio convencionales. ^[47]

Comparación con otras tecnologías

Existen cuatro categorías principales de células fotovoltaicas: células convencionales de silicio monocristalino y policristalino (c-Si), células solares de película fina (a-Si, CIGS y CdTe) y células solares multiunión (MJ). La cuarta categoría, la fotovoltaica emergente , contiene tecnologías que todavía se encuentran en fase de investigación o desarrollo y que no se enumeran en la siguiente tabla.

Las células solares MJ y otros dispositivos fotovoltaicos tienen diferencias significativas (ver 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 fotónica más grande, mientras que la propiedad principal de la 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 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 Energía Renovable sobre la eficiencia de las células solares a lo largo del tiempo.

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

Las mediciones de las células solares MJ se realizan normalmente en el laboratorio, utilizando concentradores de luz (no suele ser el caso de las otras células) y en condiciones de prueba estándar (STC). Las 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, las variaciones espectrales de la luz incidente y los parámetros ambientales no se tienen en cuenta en las STC. ^[48]

En consecuencia, el rendimiento de las células solares MJ en entornos exteriores es inferior al que se logra en el laboratorio. Además, las células solares MJ están diseñadas de tal manera que las corrientes se igualan bajo condiciones de temperatura constante, pero no necesariamente bajo condiciones de campo. ^{[ cita requerida ]} Se puede utilizar QE ( λ ) para comparar los rendimientos de diferentes tecnologías, pero QE ( λ ) no contiene información sobre la coincidencia de corrientes de las subceldas. Un punto de comparación alternativo importante es la potencia de salida por unidad de área generada con la misma luz incidente. ^{[ cita requerida ]}

Aplicaciones

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

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

Las células MJ se están utilizando actualmente en las misiones de exploración de 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 adaptación de corriente debido a un mayor flujo de fotones por encima de 1,87  eV frente a los de entre 1,87  eV y 1,42  eV. Esto da como resultado una corriente demasiado pequeña en la unión GaAs y perjudica la eficiencia general, ya que la unión InGaP funciona por debajo de la corriente MPP y la unión GaAs funciona por encima de la corriente MPP. Para mejorar la adaptación de corriente, la capa InGaP se adelgaza intencionalmente para permitir que más fotones penetren en la capa inferior de GaAs. ^{[ cita requerida ]}

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] Aun así, las células MJ ofrecen mayor resistencia a la radiación, mayor eficiencia y un coeficiente de temperatura más bajo. ^[24]

Véase también

• Portal de energías renovables
• Portal de energía

• Lista de materiales semiconductores
• Fotovoltaica de concentración (CVP)
• Célula fotovoltaica orgánica
• Diodo PIN
• Micromorfo (célula en tándem a-Si/μc-Si)

Referencias

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