NREL presenta una célula solar de arseniuro de galio con una eficiencia del 27%

Investigadores del Laboratorio Nacional de Energías Renovables (NREL) del Departamento de Energía de EEUU lograron aumentar la eficiencia de sus células solares mediante un cuidadoso diseño de los materiales de la pila de células.

Basándose en estudios computacionales y experimentales, los científicos crearon una célula solar de heterounión de arseniuro de galio (GaAs) mediante epitaxia dinámica en fase de vapor de hidruro (D-HVPE) con una eficiencia certificada del 27%, la más alta jamás registrada en una célula de GaAs de unión simple creada con esta técnica.

Esta investigación es el último esfuerzo de los investigadores del NREL por hacer más asequibles las células solares III-V para aplicaciones terrestres. Las células III-V deben su nombre a la posición que ocupan los materiales con los que se fabrican en la tabla periódica de elementos y se utilizan ampliamente para alimentar tecnologías espaciales. El D-HVPE puede ser un método más barato de sintetizar estas células que las técnicas actuales.

La investigación recién publicada ofrece una hoja de ruta para mejorar el rendimiento de las células solares mediante la optimización del dopaje y la banda prohibida de una capa del dispositivo denominada "emisor" para minimizar el impacto de los defectos en la eficiencia del dispositivo. Los resultados son teóricamente aplicables a materiales distintos de los III-V que utilizan heterouniones como el silicio, el teluro de cadmio o las perovskitas.

"Por mucho que se intente, con cualquier método que se elija para fabricarlas, las células solares siempre contendrán algunos defectos gracias a la entropía. Utilizando una estructura de heterounión, con propiedades de emisor cuidadosamente diseñadas, se puede minimizar el impacto adverso de estos defectos en la eficiencia, aunque no se haya hecho nada para reducir su concentración", explica Kevin Schulte, científico del grupo de Fotovoltaica Cristalina de Alta Eficiencia del NREL y autor principal del nuevo artículo publicado en la revista Cell Reports Physical Science.

"Además, la mejora relativa de la eficiencia aumenta con la concentración de defectos. Mientras que la célula D-HVPE de referencia ya tenía una alta eficiencia, un dispositivo que tuviera una mayor concentración de defectos recibiría un mayor aumento de la eficiencia relativa utilizando los métodos descritos en el artículo."

Junto con la capa base de GaAs, la célula solar contaba con una capa emisora de fosfuro de arseniuro de galio e indio (GaInAsP). Juntas, las dos capas forman la heterounión. Los investigadores modelaron el efecto de variar la densidad de dopaje de zinc y el bandgap de la capa emisora, que se realiza variando las concentraciones relativas de galio, indio, arsénico y fósforo durante el crecimiento de la capa, sobre la eficiencia de la célula.

El modelo identificó las opciones óptimas para estos dos parámetros que maximizan la eficiencia del dispositivo. A continuación, los investigadores sintetizaron las células siguiendo las indicaciones del modelo y consiguieron las mejoras de eficiencia previstas. La célula solar de heterounión posterior que sirvió de referencia utilizaba un emisor de GaInP con una eficiencia del 26%. Al reducir el dopaje del emisor y cambiar su composición de GaInP a GaInAsP, de menor banda prohibida, la eficiencia aumentó al 27%, aunque el resto del dispositivo era exactamente el mismo.

Las ventajas de las heterouniones son de sobra conocidas, aunque las demostraciones experimentales de heterouniones III-V se limitan a un puñado de combinaciones, señalaron los investigadores.

"Tomamos este concepto conocido pero no cuantificado de esta forma y lo representamos", explica Schulte. "Demostramos que el modelado coincide con lo que vemos experimentalmente, lo que demuestra que es una herramienta poderosa para el diseño de células solares".