(Phys.org) —Los científicos han diseñado una nueva celda solar multifuncional que, en simulaciones, puede alcanzar una eficiencia del 51,8%. Este alto rendimiento supera el objetivo actual del 50% de eficiencia en la investigación de células solares multifuncionales, así como el récord mundial actual del 43,5% para una célula solar de 3 uniones.

El trabajo fue realizado por una colaboración de investigadores del Instituto de Tecnología de California en Pasadena; el Instituto Nacional de Estándares y Tecnología en Gaithersburg, Maryland; la Universidad de Maryland en College Park; y Boeing-Spectrolab, C ª., en Sylmar, California. El equipo publicó un artículo sobre su trabajo en un número reciente de Letras de física aplicada .

Como explican los investigadores, Las células solares multifuncionales son uno de los dispositivos más prometedores para convertir la luz solar en electricidad de manera eficiente. En células solares multifuncionales, cada unión o subcélula absorbe y convierte la luz solar de una región específica del espectro. Las subcélulas se pueden apilar una encima de la otra para que la luz solar golpee primero la subcélula de banda prohibida más alta, que está sintonizado con la luz con las longitudes de onda más cortas o las energías más altas. Las longitudes de onda más largas pasan a través de la primera subcélula y golpean las subcélulas de banda prohibida inferiores.

Esta disposición ofrece una ventaja significativa sobre las células solares de unión única, que tienen una eficiencia teórica máxima de solo el 34%. En teoria, una célula solar de "unión infinita" tiene una eficiencia teórica máxima de casi el 87%. Pero para acercarse a este nivel, Las células solares multifuncionales no solo necesitan múltiples subcélulas, pero materiales semiconductores óptimos para que las subcélulas proporcionen una combinación de espacios de banda que cubran la mayor parte del espectro solar posible.

Para mejorar las mejores células solares multifuncionales actuales, los investigadores aquí se centraron en mejorar la coincidencia actual entre las diferentes subcélulas, junto con el uso de un diseño de celosía. Ambos factores han limitado previamente la eficiencia de las células solares multifuncionales.

"La coincidencia de celosía corresponde a la coincidencia entre las celdas unitarias de cristal de las diferentes subcélulas, "Marina Leite, autora principal, un investigador de energía en el Instituto Nacional de Estándares y Tecnología, dicho Phys.org . "Al utilizar subcélulas emparejadas en celosía, podemos minimizar las dislocaciones y otros defectos del cristal que pueden afectar significativamente el rendimiento del dispositivo. Se requiere una coincidencia de corriente para configuraciones en tándem de dos terminales porque en este caso una sola corriente pasa a través de todas las subcélulas y se agregan los voltajes; por lo tanto, si una subcélula tiene menos fotocorriente, limitará la corriente generada por todo el dispositivo. Se desea la coincidencia actual para que cada subcélula individual funcione en su propio punto de operación de máxima potencia ".

Los investigadores realizaron simulaciones de dispositivos completos para investigar la eficiencia potencial de la célula solar. Para cada capa del modelado, consideraron numerosos factores, como la composición del material, constante de celosía, espesor, constante dieléctrica, afinidad electronica, banda prohibida, densidades de banda de valencia y conducción efectiva, motilidades de electrones y huecos, la concentración de dopaje de aceptores y donantes superficiales, la velocidad térmica de electrones y huecos, la densidad de la aleación, Recombinación de barrena para electrones y huecos, recombinación directa banda a banda, y cuántos fotones con una longitud de onda específica son absorbidos y reflejados por cada capa en función de sus propiedades dieléctricas.

Teniendo en cuenta todos estos factores, las simulaciones mostraron que el diseño de 3 uniones podría lograr una eficiencia del 51,8% con una iluminación de 100 soles, una gran mejora con respecto a la mejor eficiencia actual del 43,5% con iluminación de 418 soles. Las tres subcélulas del nuevo diseño tenían una eficiencia cuántica externa máxima del 80% y absorbían luz de una amplia gama del espectro.

"Las células solares multifuncionales se prueban con diferentes números de soles porque a menudo se utilizan en sistemas fotovoltaicos de concentración, que nos permiten reducir el tamaño o la cantidad de celdas necesarias, "Leite explicó." Estas estrategias toleran el uso de materiales semiconductores más caros, que de otro modo sería prohibitivo en cuanto a costos. Los resultados ciertamente se pueden comparar entre sí, siempre que las fuentes de iluminación estén bien calibradas ".

Los investigadores también construyeron una celda solar de prueba de principio con un diseño equivalente, que fabricaron sobre un sustrato de fosfuro de indio (InP). La celda solar no se optimizó, por lo que su eficiencia estaba lejos de la predicción teórica, sin embargo, los resultados demostraron la capacidad de realizar experimentalmente el diseño. Los científicos predicen que, con más mejoras, esta celda solar equivalente de 3 uniones podría tener una eficiencia práctica de alrededor del 20% con iluminación de 1 sol.

"[La celda solar fabricada] presenta una coincidencia de corriente pobre pero demuestra nuestra capacidad de cultivar compuestos semiconductores de alta calidad con una densidad de defectos extremadamente baja y una estequiometría muy cercana a lo que se requiere para el diseño optimizado, "Dijo Leite." El diseño optimizado de banda prohibida está formado por la misma clase de aleaciones, y tiene un gran partido actual. Entonces, sobre la optimización de revestimientos antirreflejos y otros parámetros de diseño, las simulaciones indican que se puede alcanzar más del 50% bajo luz solar concentrada ".

Además de un revestimiento antirreflejos optimizado, Algunas de las otras mejoras pueden implicar la adición de capas de la superficie posterior y de ventana para reducir la pérdida y el engrosamiento de las dos subcélulas inferiores para absorber la luz de longitud de onda larga de forma más completa.

"Estoy muy entusiasmado con nuestros resultados iniciales con respecto a un diseño optimizado para bandgap, "Dijo Leite." En un futuro próximo, planeo trabajar en la integración del diseño optimizado en la plantilla de cristal único para fabricar un primer InAlAs monolítico (1,93 eV) / (1,39 eV) InGaAsP / (0,94 eV) InGaAs solar celda. Simultaneamente, estamos estudiando opciones de revestimiento antirreflectante para la subcélula superior InAlAs, lo que requerirá un material libre de oxígeno o la combinación de un óxido y un sulfuro como capa protectora ".

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