Tecnología de células fotovoltaicas de unión múltiple

Una célula fotovoltaica de múltiples uniones es una célula solar con múltiples uniones pn de diferentes materiales semiconductores. Cada unión pn de cada material produce corriente eléctrica en respuesta a una longitud de onda de luz diferente. Una célula simple produce corriente eléctrica de una sola longitud de onda en el espectro de la luz solar. Una célula solar de celda de múltiples uniones producirá una corriente eléctrica en múltiples longitudes de onda de luz, lo que aumenta la eficiencia de conversión de energía de la luz solar a energía eléctrica utilizable.
Las células tradicionales de unión única tienen una eficacia teórica máxima del 33.16%.Teóricamente, un número infinito de juntas tendría una eficiencia límite de 86.8% bajo luz solar altamente concentrada.

Actualmente, los mejores ejemplos de laboratorio de células solares de silicio cristalino tradicionales tienen eficiencias entre 20% y 25%, mientras que los ejemplos de laboratorio de células de unión múltiple han demostrado un rendimiento superior al 46% bajo luz solar concentrada. Los ejemplos comerciales de células en tándem están ampliamente disponibles al 30% bajo iluminación con un sol, y mejoran a alrededor del 40% con luz solar concentrada. Sin embargo, esta eficiencia se obtiene a expensas 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 es deseable su alta relación potencia / peso. En aplicaciones terrestres, estas células solares están emergiendo en concentradores fotovoltaicos (CPV), con un número cada vez mayor de instalaciones en todo el mundo.

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 bajo costo que usan silicio amorfo, a diferencia 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, pero estos productos están actualmente limitados a ciertos roles de nicho, como los materiales para techos.

Las células tradicionales de unión única tienen una eficacia teórica máxima del 34%. En un número teóricamente infinito de articulaciones, la eficiencia de las células de múltiples uniones sería del 87% bajo luz solar altamente concentrada.

Actualmente, los mejores ejemplos de laboratorio de células solares de silicio tradicionales tienen una eficiencia de alrededor del 25%, mientras que los ejemplos de laboratorio de células de unión múltiple han demostrado un rendimiento superior al 43%.

Descripción

Células de unión múltiple
Las células hechas de múltiples capas de materiales pueden tener múltiples bandgaps 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 uno tiene una celda con dos bandgaps, uno sintonizado con luz roja y el otro con verde, entonces la energía extra en luz verde, cian y azul se perderá solo en la banda prohibida del material sensible al verde, mientras que la energía del rojo, amarillo y naranja se perdería solo por la banda prohibida del material sensible al rojo. Tras un análisis similar al realizado para dispositivos de banda única, se puede demostrar que los bandgaps perfectos para un dispositivo de dos espacios están en 1.1 eV y 1.8 eV.

Convenientemente, la luz de una longitud de onda particular no interactúa fuertemente con materiales que son de mayor banda prohibida. Esto significa que puede crear una celda de unión múltiple al superponer los diferentes materiales uno sobre el otro, las longitudes de onda más cortas (banda prohibida más grande) en la “parte superior” y aumentar a través del cuerpo de la celda.Como los fotones tienen que pasar a través de la celda para alcanzar la capa adecuada para ser absorbidos, se deben usar conductores transparentes para recolectar los electrones que se generan en cada capa.

Producir una celda tándem no es una tarea fácil, en gran parte debido a la delgadez de los materiales y las dificultades para extraer la corriente entre las capas. La solución más fácil es usar dos celdas solares de película delgada separadas mecánicamente y luego unirlas por separado fuera de la celda. Esta técnica es ampliamente utilizada por las células solares de silicio amorfo, los productos de Uni-Solar utilizan tres 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%.

La solución más difícil es la celda “monolíticamente integrada”, donde la célula consiste en varias capas que están conectadas mecánica y eléctricamente. Estas células son mucho más difíciles de producir porque las características eléctricas de cada capa tienen que coincidir cuidadosamente. En particular, la fotocorriente generada en cada capa debe coincidir, de lo contrario los electrones se absorberán entre las capas. Esto limita su construcción a ciertos materiales, que se encuentran mejor con los semiconductores III-V.

Elección de material
La elección de los materiales para cada subcélula está determinada por los requisitos para la coincidencia de celosía, la coincidencia de corriente y las propiedades optoelectrónicas de alto rendimiento.

Para un crecimiento óptimo y la calidad del cristal resultante, la constante de la red cristalina a de cada material debe coincidir estrechamente, dando como resultado dispositivos acoplados a celosía.Esta restricción se ha relajado un tanto en las células solares metamórficas recientemente desarrolladas que contienen un pequeño grado de desajuste de red. Sin embargo, un mayor grado de desajuste u otras imperfecciones de crecimiento pueden conducir a defectos cristalinos que causan una degradación en las propiedades electrónicas.

Como cada subcélula está conectada eléctricamente en serie, la misma corriente fluye a través de cada unión. Los materiales se ordenan con bandgaps decrecientes, E g , permitiendo que la luz de subgama ( hc / λ <e • E g ) se transmita a las subcélulas inferiores. Por lo tanto, se deben elegir bandgaps adecuados de manera que el espectro de diseño equilibre la generación actual en cada una de las subcélulas, logrando la coincidencia actual. La Figura C (b) traza la irradiancia espectralE (λ), que es la densidad de potencia fuente a una longitud de onda dada λ. Se traza junto con la eficiencia de conversión máxima para cada unión como una 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), altas duraciones de portadores minoritarios minority minoría y altas movilidades μ.

Los valores favorables en la siguiente tabla justifican la elección de los materiales utilizados habitualmente para las células solares de unión múltiple: 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 subcélula inferior (E g = 0,67 eV). El uso de Ge se debe principalmente a su constante reticular, robustez, bajo costo, abundancia y facilidad de producción.

Debido a que las diferentes capas están estrechamente adaptadas a celosía, la fabricación del dispositivo típicamente emplea deposición de vapor químico metal-orgánico (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.

Material E g , eV a , nm absorción
(λ = 0.8 μm), 1 / μm
μ n , cm² / (V • s) τ p , μs Dureza
(Mohs)
α, μm / K S , m / s
c-Si 1.12 0.5431 0.102 1400 1 7 2.6 0.1-60
InGaP 1.86 0.5451 2 500 5 5.3 50
GaAs 1.4 0.5653 0.9 8500 3 4-5 6 50
Ge 0.65 0.5657 3 3900 1000 6 7 1000
InGaAs 1.2 0.5868 30 1200 5.66 100-1000

Elementos estructurales

Contactos metálicos
Los contactos metálicos son electrodos de baja resistividad que entran en contacto con las capas de semiconductor. A menudo son de aluminio. Esto proporciona una conexión eléctrica a una carga u otras partes de una matriz de células solares. Por lo general, están en los dos lados de la celda. Y es importante estar en la parte posterior para que se reduzca el sombreado en la superficie de iluminación.

Recubrimiento antirreflejos
El recubrimiento antirreflectante (AR) generalmente se compone de varias capas en el caso de las células solares MJ. La capa AR superior generalmente tiene una textura de superficie 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 fotones en el material. R disminuye al 1%. En el caso de dos capas AR 1 (la capa superior, generalmente SiO 
2 ) y 2 (generalmente TiO 
2 ), debe haber  tener las mismas amplitudes para los campos reflejados y L1 d L1= 4λ min , L2 d L2 = λ min / 4 para tener una fase opuesta para los campos reflejados. Por otro lado, el grosor de cada capa de AR también se elige para minimizar la reflectancia a longitudes de onda para las cuales la fotocorriente es la más baja. En consecuencia, esto maximiza SC al hacer coincidir las corrientes de las tres subcélulas. Como 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 para que la transmisión infrarroja (IR) (que corresponde a la celda inferior) se degrade mientras que el ultravioleta la transmisión (que corresponde a la celda superior) se actualiza. Particularmente, un recubrimiento AR es muy importante en longitudes de onda bajas porque, sin él, T se reduciría fuertemente al 70%.

Juntas de túnel
El objetivo principal de las uniones de túnel es proporcionar una baja resistencia eléctrica y una conexión ópticamente de baja pérdida entre dos subcélulas.

Por lo tanto, los electrones pueden pasar fácilmente a través de la región de agotamiento. La característica JV de la unión del túnel es muy importante porque explica por qué las uniones de 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 túnel, la región de resistencia diferencial negativa y la región de difusión térmica. La región donde los electrones pueden hacer un túnel a través de la barrera se llama región de túneles. 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 del túnel es alta (con el valor máximo de  , la densidad de corriente máxima) y la pendiente cerca del origen es, por lo tanto, empinada. Entonces, la resistencia es extremadamente baja y, en consecuencia, el voltaje también. Esta es la razón por la cual las uniones de 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:


Con el fin de evitar la reducción de las prestaciones de la célula solar MJ, las uniones de túnel deben ser transparentes a las longitudes de onda absorbidas por la siguiente célula fotovoltaica, la célula media, es decir, E gTunnel > E gMiddleCell .

Capa de ventana y campo de la superficie posterior
Se usa una capa de ventana para reducir la velocidad de recombinación de superficie S. De manera similar, una capa de campo de la superficie posterior (BSF) reduce la dispersión de portadores hacia la unión del túnel. La estructura de estas dos capas es la misma: es una heterounión que atrapa electrones (agujeros). De hecho, a pesar del campo eléctrico d , 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 (agujeros) no pueden recombinarse con agujeros (electrones) y no pueden difundir 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 > EgEmitter 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 ).

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Característica JV
Para obtener la máxima eficiencia, cada subcélula debe funcionar con sus parámetros de JV óptimos, que no son necesariamente iguales para cada subcélula. Si son diferentes, la corriente total a través de la célula solar es la más baja de las tres. Por aproximación, da como resultado la misma relación para la corriente de cortocircuito de la célula solar MJ: SC = min (J SC1 , J SC2 , JSC3 ) donde SCi (λ) es la densidad de corriente de cortocircuito a dada longitud de onda λ para la subcélula i .

Debido a la imposibilidad de obtener SC1 , J SC2 , J SC3 directamente de la característica total de JV, se utiliza la eficiencia cuántica QE (λ). Mide la relación entre la cantidad de pares electrón-agujero 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 subcélula iy QE i (λ) sea la eficiencia cuántica de la subcélula i . Por definición, esto equivale a: 

El valor de  se obtiene al vincularlo con el coeficiente de absorción  , es decir, la cantidad de fotones absorbidos por unidad de longitud por un material. Si se supone que cada fotón absorbido por una subcélula crea un par de electrón / agujero (que es una buena aproximación), esto conduce a:

 donde i es el grosor de la subcélula iy  es el porcentaje de luz incidente que no es absorbida por la subcélula i .
Del mismo modo, porque  , se puede usar la siguiente aproximación:  .
Los valores de {\ displaystyle V_ {OCi}}  están dados por la ecuación del diodo JV: 

Eficiencia límite teórica
Podemos estimar la eficiencia limitante de las células solares infinitas ideales de unión múltiple utilizando el análisis gráfico de eficiencia cuántica (QE) inventado por CH Henry. Para aprovechar plenamente 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 llevar a cabo una conversión de unidad intermedia de la potencia de radiación electromagnética incidente por unidad de área por energía de fotones al flujo de fotones por energía de fotones (es decir, desde [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 = h ∙ f = h ∙ (c / λ)
donde E ph es energía de fotones, 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.
Entonces el flujo de fotones por energía de fotones, dn ph / dhν, con respecto a cierta irradiancia E [W / m 2 / eV] se puede calcular de la siguiente manera.

(2):  = E / {h ∙ (c / λ)} = E [W / (m 2 ∙ eV)] ∙ λ ∙ (10 -9 ) / (1.998 ∙ 10 -25 [J ∙ s ∙ m / s]) = E ∙ λ ∙ 5.03 ∙ 10 15 [(# de fotones) / (m 2 ∙ s ∙ eV)]
Como resultado de esta conversión de unidad intermedia, la irradiancia espectral AM1.5 se da en unidad del flujo de fotones por energía de fotones, [número de fotones / m 2 / s / eV]
Basado 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 fotones con respecto a la energía de fotones. El flujo de fotones integrado numéricamente se calcula utilizando la regla trapezoidal, de la siguiente manera.

(3): 
Como resultado de esta integración numérica, la irradiancia espectral AM1.5 se da en la unidad del flujo de fotones, [número de fotones / m2 / s].

Se debe tener en cuenta que no hay datos de flujo de fotones en el rango de energía de fotones pequeños de 0 eV a 0,3096 eV porque el espectro de energía solar estándar (AM1.5) para hν <0,31 eV no está disponible. Independientemente de esta indisponibilidad de datos, sin embargo, el análisis QE gráfico puede realizarse utilizando los únicos datos disponibles con una suposición razonable de que los semiconductores son opacos para energías de fotones superiores a 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 única para coincidir adecuadamente con el amplio espectro de energía solar. Sin embargo, el análisis gráfico de QE actual 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 radiactiva, J rad . De acuerdo con el método de Shockley y Queisser, J rad se puede aproximar de la siguiente manera.

(4): 

(5): 
donde E g está en electrón voltios yn se evalúa como 3.6, el valor para GaAs. La radiación térmica absorbida incidente J th viene dada por J rad con V = 0.

(6): 
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 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): 
La tensión de circuito abierto se encuentra configurando J = 0.

(9): 
El punto de máxima potencia (J m , V m ) se encuentra stetting la derivada  . El resultado familiar de este cálculo es

(10): 

(11): 
Finalmente, el trabajo máximo (W m ) hecho por fotón absorbido, Wm viene dado por

(12): 
Combinando las últimas tres ecuaciones, tenemos

(13): 

Usando la ecuación anterior, W m (línea roja) se traza para diferentes valores de E g (o n ph ).
Ahora, podemos utilizar completamente 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 coincidir adecuadamente con el amplio espectro de energía solar. El área sombreada debajo de la línea roja representa el trabajo máximo realizado por las células solares de infinitas uniones ideales. Por lo tanto, se evalúa que la eficiencia límite de las células solares infinitas ideales de unión múltiple es del 68.8% al comparar el área sombreada definida por la línea roja con el área total de flujo de fotones determinada por la línea negra. (Esta es la razón por la cual este método se llama análisis QE “gráfico”). Aunque este valor de eficiencia limitante es consistente con los valores publicados por Parrott y Vos en 1979: 64% y 68.2% respectivamente, 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 de 0 eV a 0.3096 eV. Aquí, aproximamos el flujo de fotones de 0 eV a 0.3096 eV como el flujo de fotones a 0.31 eV.

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