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Las células solares y los paneles solares se utilizan comúnmente para aprovechar la energía del sol y convertirla en electricidad de una manera respetuosa con el medio ambiente. Sin embargo, a pesar de su amplia aplicación, su eficiencia de conversión de energía fotovoltaica está más o menos limitada al 29,4 por ciento. Para mejorar un poco esta limitación, se pueden recubrir con materiales adicionales para crear células solares "multiunión". En estas celdas, se apilan múltiples capas de absorción de luz una encima de otra, de modo que cada capa absorba efectivamente una parte específica del espectro de color de la luz solar, lo que puede mejorar considerablemente la eficiencia de la celda.

Ahora ( 2023 ), un equipo de investigadores del Instituto Fraunhofer de Investigación sobre Energía Solar ISE y el Instituto NWO AMOLF (Ámsterdam) han diseñado una célula solar multiunión que alcanza una eficiencia del 36,1 por ciento. Esta es la eficiencia más alta jamás registrada para una célula solar basada en silicio. El proyecto de investigación fue financiado a través del programa Fraunhofer ICON. El equipo de Fraunhofer se especializa en la fabricación de células solares de ultra alta eficiencia basadas en silicio y semiconductores III-V como GaInP o GaAs.

La nueva celda combina una celda solar de “silicio TOPCon”, un diseño de celda de alta eficiencia recientemente desarrollado, con dos capas semiconductoras que consisten en fosfuro de galio indio (GaInP) y fosfuro de arseniuro de galio indio (GaInAsP). La pila de capas también está recubierta con un nanorrevestimiento de metal/polímero especialmente diseñado. El reflector trasero mejora la capacidad de la célula para atrapar la luz dentro de la célula solar, lo que permitió aumentar la eficiencia por primera vez más allá del 36 por ciento.

Image: Schematic layer stack of the III–V//Si triple-junction solar cell design including a double-layer antireflection coating (ARC), a highly doped n-GaAs cap layer below the contacts, a GaInP-rear-heterojunction top cell, a GaInAsP homojunction middle cell, a silicon bottom cell with tunnel-oxide passivating contacts (TOPCon) and a nanostructured diffractive rear-side grating for light path enhancement



Source: Patrick Schygulla1, Ralph Müller1, Oliver Höhn1, Michael Schachtner1, David Chojniak1, Andrea Cordaro², Stefan Tabernig², Benedikt Bläsi1, Albert Polman², Gerald Siefer1, David Lackner1, and Frank Dimroth/ Wafer-bonded two-terminal III-V//Si triple-junction solar cell with power conversion efficiency of 36.1 % at AM1.5g/ Progress in Photovoltaics Research and Applications, November 2021/ DOI:10.1002/pip.3503/ Open Access This is an Open Access article is distributed under the terms of the Creative Commons Attribution 4.0 International (CC BY 4.0)

Las células solares multiunión se consideran un actor importante en el impulso de la aplicación de células solares. En 2023, los científicos crearon un proceso industrial de máscara y placa para la metalización frontal de células solares basadas en III-V que podría reemplazar la costosa fotolitografía. Los contactos metálicos se diseñaron mediante galvanoplastia de níquel (Ni) directamente en la parte frontal de la célula solar utilizando una máscara estructurada con precisión. Mediante impresión de inyección de tinta se realizan aberturas estrechas en la parte frontal de la célula solar, dejándola lista para su posterior galvanoplastia. El ancho de los contactos de Ni resultantes fue tan bajo como (10,5 ± 0,8) µm con bordes afilados y forma homogénea. La célula solar de triple unión campeona III-V sobre silicio de 4 cm² de tamaño con máscara y metalización frontal de placa pudo alcanzar una eficiencia de conversión certificada η de (31,6 ± 1,1) % (espectro AM1,5 g).

Image: Photograph of a III–V//Si wafer with inkjet-printed plating resist/mask on the front side. The mask is structured to realize twelve front grids for separate 4 cm²-sized solar cells. These exhibit two busbars at opposing edges and 22 fingers positioned rectangularly in between a pair of busbars. The mask opening width for the fingers varies from 15 µm (two left and two right cells) over 25 µm (four cells in second column from the left) to 35 µm (four cells in third column from the left). Additionally, a microscope image is shown in a green box. It highlights the transition area where a finger opening meets a busbar opening in the mask



Source: Jörg Schube, Oliver Höhn, Patrick Schygulla, Ralph Müller/ Mask and plate: a scalable front metallization with low-cost potential for III–V-based tandem solar cells enabling 31.6 % conversion efficiency/ Scientific Reports 13(1), September 2023/ DOI:10.1038/s41598-023-42407-4/ Open Access This is an Open Access article is distributed under the terms of the Creative Commons Attribution 4.0 International (CC BY 4.0)

También en 2023, los científicos analizaron la relajación de la tensión de tracción y el control de la composición de heteroestructuras GaAs1−xPx/(100)GaAs ricas en As con la ayuda de difracción de rayos X de doble cristal y microscopía electrónica de barrido de emisión de campo. Descubrieron que las epicapas delgadas (80–150 nm) de GaAs1-xPx estaban parcialmente relajadas a través de una red de dislocaciones inadaptadas a lo largo de la muestra en direcciones planas. También compararon los valores de la tensión reticular residual en función del espesor de la epicapa con predicciones de los modelos de equilibrio (Matthews-Blakeslee) y de balance de energía. Se descubrió que las epicapas se relajaban a un ritmo más lento de lo esperado según el modelo de equilibrio, que se atribuyó a la existencia de una barrera energética para la nucleación de nuevas dislocaciones. El estudio de la composición de GaAs1-xPx en función de la proporción de precursores del grupo V en el vapor durante el crecimiento permitió a los investigadores determinar el coeficiente de segregación de aniones As/P. Se demostró que la incorporación de P en heteroestructuras casi pseudomórficas se activa cinéticamente, con una energía de activación EA = 1,41 ± 0,04 eV en todo el rango de composición de la aleación.

Image: Plan-view FESEM micrographs of Sample C recorded by using the microscope (a) SE and (b) BSE current signals. A short-faceted trench (FT) indicated by the arrow is observed in (a) and better visualized in the magnified micrograph shown in the inset. The same FT is observed as a few-micron long and narrow black segment in (b). White markers in the micrographs represent 4 μm



Source: Paola Prete, Daniele Calabriso, Emiliano Burresi, Leander Tapfer/ Lattice Strain Relaxation and Compositional Control in As-Rich GaAsP/(100)GaAs Heterostructures Grown by MOVPE/ Materials 16(12):4254,  June 2023/ DOI:10.3390/ma16124254/ Open Access This is an Open Access article is distributed under the terms of the Creative Commons Attribution 4.0 International (CC BY 4.0)

El nuevo diseño de celda solar multiunión tiene muchos beneficios: La celda multiunión es más barata fabricar que las células solares de eficiencia ultra alta o las células solares de silicio convencionales, que alcanzan eficiencias de hasta el 27 por ciento. Su alta eficiencia es un gran beneficio para aplicaciones donde el espacio disponible es limitado y se debe generar una gran cantidad de energía solar en un área pequeña. Entre los posibles campos de aplicación se encuentran, por ejemplo, los coches eléctricos solares, los productos de consumo y los drones. El nuevo diseño de gestión de la luz también es aplicable a otros tipos de células solares, como las células solares multiunión de perovskita de silicio, por ejemplo.

Fue un gran logro que los investigadores de ambos equipos pudieran combinar los mejores procesos disponibles para lograr conjuntamente un nuevo récord de eficiencia para una célula solar multiunión basada en silicio. De este resultado no sólo fue responsable el nuevo reflector trasero de AMOLF, sino también la celda intermedia mejorada GaInAsP de Fraunhofer.

Por el consejo editorial