En un artículo de investigación publicado en la revista Advanced Energy Materials, un equipo de investigadores de la Universidad de Nueva Gales del Sur (UNSW) y del Laboratorio Nacional de Energía Renovable de EEUU (NREL) cuentan cómo han logrado eficiencias de conversión de energía solar del 32,9% con el uso de semiconductores de arseniuro de galio.
De hecho, el equipo de UNSW-NREL logró con éxito dos nuevos récords mundiales de eficiencia solar, habiendo producido dos configuraciones de células solares de arseniuro de galio que lograron nuevos récords de eficiencia de conversión, incluida una célula solar de unión única con una eficiencia del 27,2 por ciento, y un diseño de células solares en tándem que empareja configuraciones demasiado diferentes, con una eficiencia del 32,9%.
Las células solares de arseniuro de galio funcionan sobre la misma base fundamental que las células solares convencionales basadas en silicio, pero el uso de los diferentes materiales permite lograr eficiencias de conversión mucho más altas, ya que pueden utilizar una mayor parte del espectro solar para producir electricidad.
Sin embargo, las células solares producidas con arseniuro de galio son considerablemente más caras que las alternativas basadas en silicio, ya que los materiales son significativamente menos abundantes que el silicio.
Esto significa que, a pesar de las mayores eficiencias, las células solares de arseniuro de galio generalmente se han restringido a aplicaciones de alto rendimiento, donde el espacio y el peso son primordiales. Esto ha visto el uso de células solares de arseniuro de galio en la industria espacial, que alimentan satélites, rovers y estaciones espaciales, y muchos modelos de automóviles solares.
“Las células solares de alta eficiencia son esenciales para aplicaciones terrestres de alta densidad, así como para aplicaciones espaciales y potencialmente para vehículos”, dice el artículo de investigación. Y añade: “En combinación, estas mejoras conducen a una eficiencia del 27,2% en el dispositivo de unión simple y una eficiencia del 32,9% en el dispositivo tándem”.
Los investigadores dijeron que habían incorporado capas de ‘pozos cuánticos’ para mejorar la eficiencia de conversión de las células solares al permitir que las células atrapen y conviertan una porción mayor de la energía contenida en la luz solar en electricidad útil.
Los “pozos cuánticos” se crearon intercalando más de 150 capas ultrafinas de materiales semiconductores, que están sintonizados para facilitar la absorción de energía solar en diferentes longitudes de onda. Al producir las células solares que establecieron un récord, los investigadores alternaron capas de arseniuro de galio indio y arseniuro de galio fosfuro.
Al permitir que la célula solar absorba luz de un rango más amplio del espectro solar, la célula solar puede producir más electricidad a partir de la luz solar disponible, aumentando la eficiencia de la célula para convertir la luz solar en electricidad útil.
“Este trabajo conduce a celdas solares de mayor eficiencia para aplicaciones de un sol, lo que es un impulsor significativo del potencial para la adopción generalizada de estas celdas”, dijo Myles Steiner, científico senior del equipo NREL. “Ahora, un desafío clave por delante es aprender a fabricar estas células de forma rentable”.
La investigación es el resultado de una colaboración entre dos de las principales instituciones de investigación de energía solar del mundo, con sede en Australia y Estados Unidos.“Nuestra asociación reunió la experiencia de muchos años de NREL en el crecimiento epitaxial y el trabajo de UNSW en el modelado de células solares, lo 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 material semiconductor compuesto con equilibrio de deformación que superaba a una célula solar convencional”.