Investigadores del Laboratorio Nacional de Energía Renovable (NREL) del Departamento de Energía de EE.UU. han creado una célula solar con una eficiencia récord del 39,5% bajo iluminación global de 1 sol. Según los investigadores, se trata de la celda solar de mayor eficiencia de cualquier tipo, medida usando condiciones estándar de 1 sol.
La nueva celda es más eficiente y tiene un diseño más simple que puede ser útil para una variedad de aplicaciones nuevas, como en áreas muy restringidas o aplicaciones espaciales de baja radiación, según ha explicado Myles Steiner, científico senior en High-Efficiency de NREL Crystalline Photovoltaics (PV) Group e investigador principal del proyecto.
Los detalles del desarrollo se describen en el artículo ‘Células solares de triple unión con un 39,5% de eficiencia terrestre y un 34,2% de eficiencia espacial habilitadas por gruesas superredes de pozos cuánticos’, que aparece en la edición de mayo de la revista Joule.
Los científicos de NREL establecieron previamente un récord en 2020 con una celda solar de seis uniones con una eficiencia del 39,2% que utiliza materiales III-V.
Arquitectura de unión múltiple metamórfica invertida
Varias de las mejores células solares recientes se han basado en la arquitectura de unión múltiple metamórfica invertida (IMM) que se inventó en NREL. Esta celda solar IMM de triple unión recientemente mejorada ahora se ha agregado a la Tabla de eficiencia de la mejor celda de investigación.
La mejora en la eficiencia siguió a la investigación de células solares de pozo cuántico, que utilizan muchas capas muy delgadas para modificar las propiedades de las células solares. Los científicos desarrollaron una celda solar de pozo cuántico con un rendimiento sin precedentes y la implementaron en un dispositivo con tres uniones con diferentes bandas prohibidas, donde cada unión se ajusta para capturar y utilizar una porción diferente del espectro solar.
Materiales III-V
Los materiales III-V, llamados así por su ubicación en la tabla periódica, abarcan una amplia gama de bandas prohibidas de energía que les permiten apuntar a diferentes partes del espectro solar. La unión superior está hecha de fosfuro de galio-indio (GaInP), la mitad de arseniuro de galio (GaAs) con pozos cuánticos y la parte inferior de arseniuro de galio-indio (GaInAs). Cada material ha sido altamente optimizado durante décadas de investigación.
Un elemento clave es que, si bien el GaAs es un material excelente y generalmente se usa en celdas de unión múltiple III-V, no tiene la banda prohibida correcta para una celda de tres uniones, lo que significa que el equilibrio de fotocorrientes entre las tres celdas no es óptimo, explica France, científico principal y diseñador de células.
En la investigación han modificado la banda prohibida mientras se mantiene una excelente calidad del material mediante el uso de pozos cuánticos, lo que permite este dispositivo y potencialmente otras aplicaciones.
Nuevo diseño de la celda
Los científicos utilizaron pozos cuánticos en la capa intermedia para ampliar la banda prohibida de la celda de GaAs y aumentar la cantidad de luz que la celda puede absorber. Es importante destacar que desarrollaron dispositivos de pozo cuántico ópticamente gruesos sin una pérdida importante de voltaje. También aprendieron cómo recocer la celda superior de GaInP durante el proceso de crecimiento para mejorar su rendimiento y cómo minimizar la densidad de dislocación de subprocesos en GaInAs no coincidentes en la red, que se analizan en publicaciones separadas. En conjunto, estos tres materiales informan el nuevo diseño de la celda.
Las celdas III-V son conocidas por su alta eficiencia, pero el proceso de fabricación ha sido tradicionalmente costoso. Hasta ahora, las celdas III-V se han utilizado para alimentar aplicaciones como satélites espaciales, vehículos aéreos no tripulados y otras aplicaciones de nicho. Los investigadores de NREL han estado trabajando para reducir drásticamente el costo de fabricación de las celdas III-V y proporcionar diseños de celdas alternativos, lo que hará que estas celdas sean económicas para una variedad de nuevas aplicaciones.
También se comprobó la eficiencia de la nueva celda III-V en aplicaciones espaciales, especialmente para satélites de comunicaciones, que funcionan con celdas solares y para los cuales la alta eficiencia de la celda es crucial, llegando a un 34,2% de rendimiento desde el primer momento.
El diseño actual de la celda es adecuado para entornos de baja radiación y las aplicaciones de mayor radiación pueden habilitarse mediante un mayor desarrollo de la estructura de la celda.