El efecto de la luz se refiere al cambio en la potencia de salida de las células solares que se puede medir después de la iluminación. Esto puede ser un aumento o una disminución, según el tipo de célula solar. La causa de este efecto y las consecuencias sobre la eficiencia varían según el tipo de célula solar. El efecto de la luz generalmente puede causar efectos estructurales o eléctricos metaestables . Los efectos eléctricos pueden variar la eficiencia según la iluminación, la polarización eléctrica y la temperatura , donde los efectos estructurales realmente cambian la estructura del material y el rendimiento a menudo se altera de forma permanente.
Aunque en muchos casos la absorción de luz aumenta la eficiencia de la célula solar, el efecto sigue considerándose problemático, ya que la estabilidad de la potencia de salida es un requisito importante para las células solares y los dispositivos conectados a ellas. Además, para determinar con precisión la vida útil de las células solares, es importante saber cómo se ven afectadas por la absorción de luz a lo largo del tiempo. [1]
En las células solares, la curva característica corriente-voltaje (IV) proporciona información sobre sus propiedades eléctricas. A partir de esta relación podemos encontrar el factor de llenado de una célula solar, que básicamente nos indica su eficiencia. Los efectos de absorción de luz a menudo se pueden observar en estas curvas IV. En las células solares que aumentan su eficiencia debido a la absorción de luz, se observa una deformación típica (a menudo denominada forma de S o de pliegue) en la curva IV antes de la iluminación. Después de la iluminación durante un período, la densidad de corriente de cortocircuito y el voltaje de circuito abierto aumentan, lo que da como resultado un factor de llenado más alto. En las células solares en las que el efecto de absorción de luz es metaestable, este cambio en la curva IV es reversible ya sea mediante almacenamiento en entornos oscuros o polarización eléctrica. En las células solares en las que los efectos de absorción de luz son permanentes (a menudo debido a la degradación estructural), los cambios en el rendimiento también son permanentes.
Las células solares de película fina se utilizan comercialmente en varias tecnologías. Hay tres tipos principales de módulos de película fina: el telururo de cadmio (CdTe) , el diseleniuro de cobre, indio y galio (CIGS) y el silicio amorfo de película fina . Todos los tipos muestran cambios en el rendimiento del dispositivo con una exposición prolongada a la luz.
En las células a-Si, se utiliza silicio amorfo como material semiconductor . Las células solares A-Si muestran un efecto inducido por la luz en el que su eficiencia se degrada en un ~10-30% en los primeros cientos de horas de exposición. Este efecto se conoce como el efecto Staebler-Wronski (SWE) y se produce debido a la ruptura de enlaces Si-Si débiles. [2] [3] Un agujero puede quedar atrapado en un enlace Si-Si adyacente a un enlace Si-H después de lo cual se produce la recombinación electrón-hueco en el enlace Si-Si. El enlace Si-H luego cambia hacia el enlace Si-Si y pierde sus propiedades semiconductoras. Sin embargo, el mecanismo microscópico exacto del SWE no se entiende completamente. La inmersión de la luz en células a-Si muestra una recuperación de la eficiencia después del calentamiento (hasta 50 °C). [4] Esto también explica los cambios estacionales en el rendimiento (10-15%).
El seleniuro de cobre e indio (CIG) y el (di)seleniuro de cobre e indio y galio (CIGS) son materiales semiconductores similares en los módulos CIS/CIGS. Se sabe que la inmersión en luz para estos tipos de celdas muestra una eficiencia inducida bajo iluminación y produce una mejora de la eficiencia de aproximadamente el 5 % después de la exposición a la luz durante períodos del orden de horas. El efecto en estos módulos es reversible y se ha descubierto que el tiempo de relajación hasta el estado de baja eficiencia es de aproximadamente 3 a 16 horas. [5] [3]
El mecanismo principal detrás del efecto es causado por la presencia de un defecto de divacancia de cobre seleniuro (Se-Cu) que viene en varias configuraciones. Para niveles de Fermi por debajo de un cierto valor E F re (para CGS esta es la energía máxima de la banda de valencia más 0,2 eV) el defecto actúa como un donante superficial y causa un nivel de defecto en la banda de conducción. Cuando los niveles de Fermi aumentan por encima de E F re , la configuración del defecto cambia a dos estados: un aceptor superficial y un aceptor profundo. Como consecuencia de estos niveles de defecto, se crea una distribución de carga y defecto no uniforme que se ve afectada por la luz y, por lo tanto, cambia varias características eléctricas del módulo. [6] [7]
En las celdas de CdTe , se utiliza telururo de cadmio como material semiconductor dopado p junto con sulfuro de cadmio dopado n . La forma en que cambia el rendimiento debido a la inmersión en luz en módulos de CdTe varía en gran medida según la estructura del dispositivo y las composiciones de las capas. Los experimentos en estas celdas han demostrado un aumento de eficiencia de ~6-8%, mientras que otro grupo de módulos se degradó en eficiencia en ~7-15%. [8] Un factor común en las pruebas en módulos de CdTe es el efecto de la metalización del contacto posterior para la recolección de corriente. Especialmente la presencia de cobre en este contacto posterior tiene un papel principal en la mayoría de los modelos propuestos para este fenómeno.
La adición de cobre en el contacto posterior reduce la altura de los portadores posteriores y, por lo tanto, mejora el rendimiento. [9] Por otro lado, la pérdida de cobre por difusión a través de CdTe aumenta la altura de los portadores posteriores, lo que reduce la potencia de salida de la celda. [10] La pérdida por degradación debido a la difusión del cobre es significativamente más rápida a temperaturas más altas (85-100 °C).
Algunos tipos prometedores de células solares emergentes son las células solares orgánicas, las células solares de perovskita y las células solares sensibilizadas con colorante. Estas tecnologías son relativamente nuevas y el origen del efecto de absorción de la luz no siempre se comprende bien.
Estas células solares son un ejemplo de un aumento de la potencia de salida con la iluminación, en el que hay una forma de quiebre en la curva característica IV que desaparece con la iluminación, como se mencionó anteriormente. Existen diferentes puntos de vista sobre el origen del efecto de absorción de luz en las células solares orgánicas/poliméricas. [11] [12] [13]
Una forma de observar el efecto es sugerir que la forma de pliegue se origina a partir de los llamados estados de trampa en la interfaz de óxido de indio y estaño/óxido de titanio (ITO/TiO x ). En consecuencia, aparece una barrera de energía debido a la diferencia en la función de trabajo del ITO y el borde de la banda de conducción del TiO x . Por lo tanto, los electrones se acumulan en la interfaz ITO/TiO x , lo que conduce a la forma de pliegue. Sin embargo, tras la irradiación, la densidad de electrones aumentará, llenando los estados de trampa. Con estos estados de trampa llenos, la barrera de energía se hará más estrecha, lo que dará como resultado la tunelización de electrones, de modo que puedan ser absorbidos por el electrodo de ITO. La disminución del efecto de la absorción de luz se haría entonces aumentando la densidad de portadores en la fabricación, llenando los estados de trampa desde el principio. [13]
Una forma diferente de explicar el efecto es mediante la recombinación asistida por trampa. Dado que estos niveles de trampa (huecos que se acumulan en la interfaz ITO/TiO x ) se encuentran en algún lugar de la brecha de banda entre las capas ITO/TiO x , estos estados aumentan la recombinación. Esto se debe a que las transmisiones sucesivas, desde TiO x al nivel de trampa, a ITO, son mucho más probables que un gran paso de energía, desde TiO x a ITO. El efecto de la iluminación es entonces reducir la función de trabajo del contacto ITO TiO x , lo que aumenta el potencial incorporado. Este potencial más alto dificulta la acumulación de huecos, reduciendo la recombinación y eliminando así la forma de torcedura en la curva IV. Para ayudar con el problema de la absorción de luz, uno tendría que modificar el contacto del cátodo, a una función de trabajo efectiva más baja, o conseguir un material que tenga una función de trabajo más baja para empezar [12].
Las células solares de perovskita son muy nuevas y muchas investigaciones sobre células solares se centran en estas prometedoras tecnologías. En estas células solares se han observado diferentes efectos después de la exposición a la luz. Se han encontrado tanto aumentos como disminuciones en el rendimiento del dispositivo. Estos efectos pueden ser reversibles y permanentes. Se encontró un cambio positivo permanente que a veces se explica por un mayor dopaje de tipo N debido a un aumento en las vacantes de oxígeno, lo que conduce a una mayor conductividad y tasa de extracción de carga. [14] También se puede observar un cambio positivo reversible que se sugiere que se debe a la recombinación asistida por trampa, similar al efecto en las células solares orgánicas. [15] Se propone que un cambio negativo reversible se debe a los estados de trampa activados por la luz. Esta disminución en el rendimiento del dispositivo se revierte rápidamente cuando se almacena en entornos oscuros. [16] Un intento de ilustrar el comportamiento completo se da mediante una acumulación de iones positivos (como vacantes) que reducen la separación de los portadores de carga en la célula solar. La concentración de estos iones se puede reducir con la iluminación. Este es un proceso rápido, que mejora el rendimiento del dispositivo. Sin embargo, después de un período prolongado de absorción de luz, los iones se desplazan hacia la superficie. Debido a los estados de trampa en la interfaz, el rendimiento del dispositivo aumenta. [17] La magnitud y la duración de los efectos dependen de los tamaños de grano y la morfología de las células solares. Se ha descubierto que la migración de iones es más lenta en granos más grandes [17] y minimizar los límites de grano puede reducir el efecto de absorción de luz. [15]
En estas celdas, el efecto es un aumento en el rendimiento del dispositivo, que ocurre durante unos 20 a 30 minutos de iluminación. [18] Las observaciones muestran que la corriente (I) aumenta, mientras que el voltaje de circuito abierto (V) permanece relativamente constante. [19] Esto probablemente surge de estados de trampa poco profundos cerca de la banda de conducción que se forman bajo la iluminación. La redistribución de estados en la brecha de banda da lugar a un cambio en el borde de la banda de conducción. Esto da como resultado un aumento en la velocidad en la que se generan electrones libres, lo que aumenta la tasa de inyección, sin deteriorar el voltaje de circuito abierto [18] [19] [20]