Célula solar multiunión

Las células solares Multi-junction (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 un rango más amplio de longitudes de onda, mejorando la luz solar de la célula a la eficiencia de conversión de energía eléctrica.

Las células de unión única tradicionales tienen una eficacia teórica máxima del 33.16%.Teóricamente, un número infinito de uniones tendría una eficacia límite del 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 múltiples uniones 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 de un solo sol, y mejoran a alrededor del 40% bajo luz solar concentrada. Sin embargo, esta eficiencia se obtiene 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 es deseable su alta relación potencia / peso. En aplicaciones terrestres, estas células solares están surgiendo en concentradores fotovoltaicos (CPV), con un número creciente 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 celda 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.

Descripción

Conceptos básicos de las células solares

Las células fotovoltaicas tradicionales se componen comúnmente de silicio dopado con contactos metálicos depositados en la parte superior e inferior. El dopaje se aplica normalmente 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 llegan a la parte superior de la célula solar se reflejan o transmiten a la célula. Los fotones transmitidos tienen el potencial de dar su energía, h ν , a un electrón si h ν ≥ Eg, generando un par electrón-agujero. En la región de agotamiento, el campo eléctrico de deriva Edrift acelera tanto los electrones como los orificios hacia sus respectivas regiones n dopada y dopada p (arriba y abajo, respectivamente). La Ig actual resultante se denomina fotocorriente generada. En la región casi neutra, el campo eléctrico de dispersión Escatt acelera orificios (electrones) hacia la región dopada con p (dopado n), lo que da una dispersión de la fotocorriente Ipscatt (Inscatt). En consecuencia, debido a la acumulación de cargas, aparece un potencial V y una fotocorriente Iph.La expresión de esta fotocorriente se obtiene agregando fotocorrientes de generación y dispersión: Iph = Ig + Inscatt + Ipscatt.

Las características de JV (J es la densidad de corriente, es decir, la corriente por unidad de área) de una celda solar bajo iluminación se obtienen desplazando las características de JV de un diodo en la oscuridad hacia abajo por Iph. Dado que las celdas solares están diseñadas para suministrar energía y no absorberla, la potencia P = V · Iph debe ser negativa. Por lo tanto, el punto de operación (Vm, Jm) está ubicado en la región donde V> 0 e Iph <0, y se elige para maximizar el valor absoluto de la potencia | P |. Mecanismos de pérdida El rendimiento teórico de una célula solar se estudió por primera vez en profundidad 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. El primero son las pérdidas debidas a la radiación del 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 aproximadamente el 7% de la potencia. El segundo es un efecto conocido como "recombinación", donde los electrones creados por el efecto fotoeléctrico se encuentran con los agujeros de electrones que dejan las excitaciones previas. En 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 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 el bandgap, no se recoge en absoluto. Esta es una consideración importante para las células solares convencionales, que no son sensibles a la mayoría del espectro infrarrojo, aunque eso representa casi la mitad de la energía proveniente del sol. Por el contrario, los fotones con más energía que el bandgap, digamos luz azul, inicialmente expulsan un electrón a un estado muy por encima del bandgap, pero esta energía extra se pierde por 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 de cuerpos negros. Combinando todos estos factores, la eficacia 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 que entra en contacto con la luz solar. Las preocupaciones prácticas reducen aún más esto, especialmente el reflejo de la superficie frontal o los terminales de metal, con células modernas de alta calidad a aproximadamente el 22%. Los materiales de bandgap más bajos, también llamados más angostos, convertirán fotones de mayor longitud de onda y menor energía. Los materiales de banda prohibida más altos o más amplios convertirán luz de energía de mayor 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 está muy cerca del margen de banda natural en el silicio y en otros semiconductores útiles. 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 celda se compone de 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, lo que da 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, por ejemplo, permitiendo que la luz de sub-bandgap (hc / λ Categorías Tecnología η (%) OC (V) SC (A) W / m² t (μm) Células de silicio cristalino Monocristalino 24.7 0.5 0.8 63 100 Polisilicio 20.3 0.615 8.35 211 200 Células solares de película delgada Silicio amorfo 11.1 0.63 0.089 33 1 CdTe 16.5 0.86 0.029 – 5 CIGS 19.5 – – – 1 Células de unión múltiple MJ 40.7 2.6 1.81 476 140

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 atrapar un espectro de energía de fotones 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, los paneles solares MJ son más caros que otros. Estas diferencias implican diferentes aplicaciones: las células solares MJ son preferidas en el espacio y las células solares c-Si para aplicaciones terrestres.

Las eficiencias de las células solares y la tecnología solar de Si son relativamente estables, mientras que la eficiencia de los módulos solares y la tecnología de múltiples uniones están progresando.

Las mediciones en las células solares MJ generalmente se hacen en el laboratorio, utilizando concentradores de luz (este no suele ser 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 / m². Por lo tanto, las variaciones espectrales de la luz incidente y los parámetros ambientales no se tienen en cuenta en STC.

En consecuencia, el rendimiento de las células solares MJ en el entorno terrestre es inferior al rendimiento en el laboratorio. Además, las células solares MJ están diseñadas de tal manera que las corrientes se combinan bajo STC, pero no necesariamente en condiciones de campo. Se puede usar QE (λ) para comparar rendimientos de diferentes tecnologías, pero QE (λ) no contiene información sobre el emparejamiento de corrientes de subcélulas. Un punto de comparación importante es más bien la potencia de salida por unidad de área generada con la misma luz incidente.

Aplicaciones

A partir de 2010, el costo de las células solares MJ era demasiado alto para permitir el uso fuera de las aplicaciones especializadas. El alto costo se debe principalmente a la estructura compleja y al alto precio de los materiales. Sin embargo, con concentradores de luz bajo iluminación de al menos 400 soles, los paneles solares MJ se vuelven prácticos.

A medida que los materiales multiunión más baratos estén disponibles, otras aplicaciones implican la ingeniería de bandgap para microclimas con variadas condiciones atmosféricas.

Las células MJ se están utilizando actualmente en las misiones de rover de Marte.

El ambiente en el espacio es bastante diferente. Debido a que no hay atmósfera, el espectro solar es diferente (AM0). Las células tienen una coincidencia de corriente pobre debido a un mayor flujo de fotones de fotones por encima de 1.87eV frente a aquellos entre 1.87eV y 1.42eV. Esto resulta en muy poca corriente en la unión GaAs, y dificulta 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 InGaP se adelgaza intencionalmente para permitir que fotones adicionales penetren en la capa inferior de GaAs.

En aplicaciones de concentración terrestres, la dispersión de la luz azul por la atmósfera reduce el flujo de fotones por encima de 1.87eV, equilibrando mejor las corrientes de unión. Las partículas de radiación que ya no se filtran pueden dañar la célula. Hay dos tipos de daños: ionización y desplazamiento atómico. Aún así, las células MJ ofrecen una mayor resistencia a la radiación, una mayor eficiencia y un menor coeficiente de temperatura.