Fuente: energy.gov
ANTECEDENTES
Los dispositivos de múltiples funciones de alta eficiencia usan múltiples bandgaps, o uniones, que están sintonizados para absorber una región específica del espectro solar para crear células solares que tienen eficiencias récord superiores al 45%. La eficiencia teórica máxima que puede lograr una célula solar de banda única con luz solar no concentrada es de aproximadamente 33.5%, principalmente debido a la amplia distribución de fotones emitidos por el sol. Esta eficiencia limitante, conocida como el límite de Shockley-Queisser, surge del hecho de que el voltaje de circuito abierto (Voc) de una célula solar está limitado por el intervalo de banda del material absorbente y que los fotones con energías por debajo del intervalo de banda no se absorben. Los fotones que tienen energías mayores que la banda son absorbidos, pero la energía mayor que la banda se pierde como calor.
Los dispositivos multifunción utilizan una celda superior de banda ancha alta para absorber fotones de alta energía mientras permiten que pasen los fotones de menor energía. Luego se coloca un material con un intervalo de banda ligeramente inferior debajo de la unión de intervalo de banda alto para absorber los fotones con un poco menos de energía (longitudes de onda más largas). Las celdas multifuncionales típicas usan dos o más uniones absorbentes, y la eficiencia máxima teórica aumenta con el número de uniones. Las primeras investigaciones sobre dispositivos multifunción aprovecharon las propiedades de los semiconductores compuestos de elementos en las columnas III y V de la tabla periódica, como el fosfato de indio y galio (GaInP), el arseniuro de indio y galio (GaInAs) y el arseniuro de galio (GaAs). Los dispositivos de tres uniones que utilizan semiconductores III-V han alcanzado eficiencias superiores al 45% con luz solar concentrada. Esta arquitectura también se puede transferir a otras tecnologías de células solares, y se están investigando células multifuncionales hechas de CIGS, CdSe, silicio, moléculas orgánicas y otros materiales.
En el pasado, los dispositivos de múltiples funciones se usaban principalmente en el espacio, donde se le otorga una alta importancia a la generación de energía liviana, lo que permite el uso de esta tecnología solar de costo relativamente alto. Para aplicaciones terrestres, los altos costos de estos sustratos semiconductores (en comparación con el silicio, por ejemplo) pueden compensarse mediante el uso de ópticas de concentración, y los sistemas actuales utilizan principalmente lentes Fresnel. La óptica de concentración aumenta la cantidad de luz incidente en la célula solar, lo que conduce a una mayor producción de energía. El uso de ópticas de concentración requiere el uso de seguimiento solar de doble eje, que debe tenerse en cuenta en el costo del sistema.
DIRECCIONES DE INVESTIGACIÓN
Aunque las celdas de múltiples funciones III-V tienen una mayor eficiencia que las tecnologías de la competencia, tales celdas solares son considerablemente más costosas debido a las técnicas y materiales de fabricación actuales. Por lo tanto, los esfuerzos de investigación activa están dirigidos a reducir el costo de la electricidad generada por estas células solares a través de enfoques como el desarrollo de nuevos materiales de sustrato, materiales absorbentes y técnicas de fabricación; aumento de la eficiencia; y extender el concepto de múltiples funciones a otras tecnologías fotovoltaicas. Además, debido al costo de tales células solares, el desarrollo de soluciones confiables de bajo costo para el seguimiento y la concentración también son áreas activas de investigación para respaldar la reducción de costos para los sistemas fotovoltaicos que usan células multifunción.
Obtenga más información sobre los premiados y los proyectos que involucran celdas III-V de alta eficiencia a continuación.
Ohio State University: Columbus Campus (Investigación y desarrollo de fotovoltaica)
Universidad Estatal de Arizona (Investigación y Desarrollo Fotovoltaico)
Universidad de Oregón (Investigación y desarrollo fotovoltaico: pequeños proyectos innovadores en energía solar)
South Dakota School of Mines and Technology (Investigación y desarrollo de la fotovoltaica: pequeños proyectos innovadores en energía solar)
Arizona State University (Investigación y desarrollo de la fotovoltaica: pequeños proyectos innovadores en energía solar)
nLiten Energy (Investigación y desarrollo fotovoltaico: pequeños proyectos innovadores en energía solar)
Universidad de California, Berkeley (proyectos de próxima generación de fotovoltaica II)
Instituto de Tecnología de California (Proyectos de Próxima Generación Fotovoltaica II)
Universidad Estatal de Carolina del Norte (Programa Fundacional para Avanzar la Eficiencia Celular)
Laboratorio Nacional de Energía Renovable (Programa Fundacional para Avanzar la Eficiencia Celular)
Ohio State University (Programa Fundacional para Avanzar la Eficiencia Celular)
Universidad de Houston (proyectos de próxima generación de fotovoltaica 3)
Laboratorio Nacional de Energía Renovable (Proyectos de Fotovoltaica 3 de Próxima Generación)
Beneficios
Los beneficios de las células solares de múltiples funciones III-V incluyen:
Adaptación del espectro: las células de alta eficiencia (> 45%) se pueden fabricar uniendo secciones del espectro solar con capas absorbentes específicas que tienen bandas de separación específicas.
Estructura cristalina: las diversas combinaciones de semiconductores III-V tienen estructuras cristalinas similares y propiedades ideales para las células solares, que incluyen largas longitudes de difusión de excitones, movilidad de portadores y espectros de absorción compatibles.
PRODUCCIÓN
Las células multijunción III-V tradicionales se ensamblan en una pila monolítica epitaxial con subcélulas conectadas en serie a través de uniones de túnel. La construcción de una celda de múltiples funciones en una pila monolítica da como resultado restricciones de material, y la fabricación de tales dispositivos se facilita si las capas individuales de las subcélulas tienen posiciones de red atómica compatibles y coinciden con la red. Esta ventaja de la correspondencia de celosía es la razón por la cual Ge, que es la celosía emparejada con algunas aleaciones III-V, se usa tradicionalmente como el sustrato y la celda estrecha de banda prohibida en MJ. Las limitaciones de coincidencia de celosías se pueden superar con una complejidad adicional utilizando enlaces de obleas o capas de amortiguación metamórficas.
La capa de unión de túnel está construida por la interfaz de las capas p ++ y n ++ altamente dopadas. La interacción de estas capas da como resultado una región de carga espacial espacialmente estrecha, que permite que la corriente fluya entre las subcélulas. Se pueden agregar capas de banda ancha alta, conocidas como capas de ventana y campos de superficie posterior, para pasivar estados de superficie en la interfaz entre una subcelda y la unión del túnel, que si no se pasiva, puede atrapar portadores y acelerar la recombinación.
Si las subcélulas están conectadas en serie, la subcelda que conduce la corriente más pequeña limita la corriente máxima que puede fluir a través del dispositivo. Por lo tanto, se realiza un esfuerzo considerable para ajustar la corriente de las subcélulas. El acoplamiento luminiscente entre subcélulas puede relajar algunos de los requisitos de diseño de coincidencia actual.
Las células solares de múltiples funciones III-V pueden fabricarse utilizando técnicas de epitaxia de haz molecular (MBE), pero la fabricación en grandes reactores de deposición de vapor químico metal-orgánico (MOCVD) es típica para la producción a escala comercial de dispositivos GaInP / GaInAs / Ge. Las capas se pueden cultivar a partir de trimetilgallio (Ga (CH3) 3), trimetilindio (InC3H9), arsina (AsH3) y fosfina (PH3) en un gas portador de hidrógeno y usando dopantes como seleniuro de hidrógeno (H2Se), silano (SiH6), y dietil zinc ((C2H5) 2Zn). El uso de la óptica de concentración permite que las células individuales sean bastante pequeñas, a veces, tan pequeñas como el tamaño de la punta de un lápiz. Por lo tanto, estas técnicas permiten que cientos de células solares crezcan en lotes individuales. Se están realizando investigaciones para reducir aún más el tamaño de las células y aumentar el número de células que se pueden cultivar a partir de una sola oblea, lo que ayudará a reducir el costo por célula.
