Investigadores del Laboratorio Nacional de Energía Renovable (NREL) del Departamento de Energía de EE. UU. Y la Universidad de Nueva Gales del Sur lograron un nuevo récord mundial de eficiencia para las células solares de dos uniones, creando una celda con dos capas absorbentes de luz que convierte el 32,9% de la luz solar en electricidad.

La clave del diseño de la celda es una serie de más de 150 capas ultrafinas de semiconductores alternos que crean pozos cuánticos en el absorbedor inferior de la celda. lo que le permite capturar energía de un rango clave del espectro solar. Si bien el nuevo récord solo mejora modestamente con respecto al anterior récord de eficiencia del 32,8%, es la primera célula solar multifunción de eficiencia récord que utiliza una estructura de tensión equilibrada, un diseño que promete mejoras adicionales.

La nueva celda se describe en un artículo de Advanced Energy Materials titulado "Células solares de GaAs invertidas y GaInP / GaAs de alta eficiencia con pozos cuánticos de GaInAs / GaAsP con equilibrio de deformación". Las células tienen una capa de fosfuro de galio indio (GaInP) para su unión superior y una unión inferior de arseniuro de galio (GaAs) estriado con 80 capas apiladas de pozos cuánticos. Un pozo cuántico se crea cuando una capa delgada de material semiconductor se intercala entre dos capas de material con una banda prohibida más amplia, confinando los portadores de carga a la capa central.

Los pozos cuánticos ofrecen posibilidades

La inclusión de tantos pozos cuánticos en la unión inferior reduce la banda prohibida efectiva de esa unión, aumentando la longitud de onda de la luz que puede absorber. La captura de longitudes de onda más largas permite que la celda en tándem obtenga más energía del espectro solar, haciendo que la celda sea más eficiente para convertir la luz en electricidad.

Tradicionalmente, Los pozos cuánticos se han utilizado principalmente en láseres, LEDs, y electrónica para telecomunicaciones. Como parte del proceso de desarrollo, El equipo de NREL produjo una celda de unión única que demostró una eficiencia radiativa externa muy alta (> 40%):la eficiencia con la que la celda convierte la electricidad en luz cuando funciona en reversa. Si bien el equipo no estaba tratando de construir un dispositivo LED, sus pozos cuánticos de alta calidad demostraron cierto potencial en esta área, también.

El balanceo de deformaciones desbloquea un nuevo récord

El trabajo anterior ha intentado utilizar pozos cuánticos para ajustar la banda prohibida de las uniones de células solares, pero no ha producido ninguna celda de eficiencia récord, en parte porque es difícil cultivar muchos, muchas capas de material de pozo cuántico de alta calidad. Si las capas se vuelven demasiado gruesas o la tensión mecánica dentro de la red cristalina no está correctamente equilibrada, la célula desarrolla defectos.

Por su celda de récord mundial, el equipo alternó capas de arseniuro de galio indio, en compresión, y arseniuro de fosfuro de galio, bajo tensión. Controlando cuidadosamente el grosor de estas capas, la tensión de las fuerzas de compresión y tracción se equilibra entre capas. Se utilizó una serie de láseres para medir la curvatura de la oblea durante todo el proceso de crecimiento. permitiendo a los investigadores detectar y ajustar la tensión en la red cristalina.

"Este trabajo conducirá a células solares de mayor eficiencia para aplicaciones de un solo sol, que podría ser un factor importante de la adopción generalizada de estas células, "dijo Myles Steiner, un científico senior en el equipo de NREL. "Ahora, un desafío clave por delante es aprender a fabricar estas células de manera rentable ".

La colaboración mundial produce resultados

El desarrollo de este diseño de celda surgió de una estrecha colaboración entre parte del grupo de investigación de energía fotovoltaica cristalina de alta eficiencia de NREL y un equipo de la Universidad de Nueva Gales del Sur (UNSW). De hecho, Steiner pasó 3 meses a principios de 2020 en Nueva Gales del Sur con sus colaboradores australianos, trabajando en el proyecto como parte de una subvención del Programa Fulbright Scholars.

"Nuestra asociación reunió la experiencia de muchos años de NREL en el crecimiento epitaxial y el trabajo de la UNSW en el modelado de células solares, que nos ayudó a colaborar eficazmente a distancia, "dijo Nicholas Ekins-Daukes, quien dirigió el equipo de UNSW. "Me impresionó la rapidez con la que pudimos desarrollar el primer composite, material semiconductor de tensión equilibrada para superar a una célula solar convencional ".