Una nueva célula solar ha logrado una eficiencia del 39,5 % bajo iluminación global de 1-sol (equivalente a 100 mW/cm2), la mayor eficiencia de cualquier tipo medida usando esta condición estándar.

«La nueva célula es más eficiente y tiene un diseño más simple que puede ser útil para una variedad de aplicaciones nuevas, como aplicaciones de áreas muy restringidas o aplicaciones espaciales de baja radiación», dijo en un comunicado Myles Steiner, científico senior en el grupo de Fotovoltaica Cristalina de NREL (Laboratorio Nacional de Energía Renovable) de Estados Unidos y autor principal de la investigación.

Los detalles del desarrollo se describen la revista Joule.

Los científicos de NREL establecieron previamente un récord en 2020 con una célula solar de seis uniones con una eficiencia del 39,2 % que utiliza materiales III-V.

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 célula solar IMM de triple unión recientemente mejorada ahora se ha agregado a Best Research-Cell Efficiency Chart. El gráfico, que muestra el éxito de las células solares experimentales, incluye el récord anterior de IMM de tres uniones del 37,9 % establecido en 2013 por Sharp Corporation de Japón.

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 célula 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.

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», dijo France, científico principal y diseñador de células. «Aquí, hemos modificado la banda prohibida mientras mantenemos una excelente calidad del material mediante el uso de pozos cuánticos, lo que permite este dispositivo y potencialmente otras aplicaciones».

Los científicos utilizaron pozos cuánticos en la capa intermedia para ampliar la banda prohibida de la célula de GaAs y aumentar la cantidad de luz que la célula 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 de celosía, discutidos en publicaciones separadas. En conjunto, estos tres materiales informan el nuevo diseño de la célula.

Las células III-V son conocidas por su alta eficiencia, pero el proceso de fabricación ha sido tradicionalmente costoso. Hasta ahora, las células 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 células alternativos, lo que hará que estas células sean económicas para una variedad de nuevas aplicaciones.

La nueva célula III-V también se probó para ver su eficiencia en aplicaciones espaciales, especialmente para satélites de comunicaciones, que funcionan con células solares y para los cuales la alta eficiencia de la célula es crucial, y llegó al 34,2% para una medida de comienzo-de-vida. El diseño actual de la célula es adecuado para entornos de baja radiación, y las aplicaciones de mayor radiación pueden habilitarse mediante un mayor desarrollo de la estructura de la célula.

Fuente: europapress.es