Superando los límites de las celdas solares
Autoría: E. Regalado-Pérez, N. R. Mathews, X. Mathew
15/06/2022
La luz solar es la fuente de energía más abundante disponible en nuestro planeta, por lo que el desarrollo de tecnologías que puedan captar, transferir o almacenar la energía solar de manera efectiva es de gran interés para la investigación científica y tecnológica. Quizás el campo de estudio más destacado en este sentido es la energía solar fotovoltaica, la cual implica la conversión de la luz solar (fotones) en electricidad (flujo de electrones), empleando materiales semiconductores. Este es el proceso que describe a una celda solar. ¿Qué tan “buena” es una celda solar? Eso se puede saber mediante su eficiencia de conversión, la cual es una relación entre la energía eléctrica que produce la celda y la cantidad de energía que recibe del Sol.
Aunque algunas celdas solares han alcanzado experimentalmente eficiencias cercanas al 50% incorporando conceptos tales como iluminación concentrada o celda tándem, la mayoría de estos dispositivos a nivel laboratorio están por debajo del 25%. La eficiencia de una celda solar está limitada por algo llamado "la brecha de energía". Este concepto se refiere a que parte de la luz del espectro solar es absorbida y aprovechada por el material semiconductor absorbedor de la celda (Fig. 1). En principio, una celda solar fotovoltaica aprovecha de forma óptima solo los fotones con energías equivalentes a la brecha de energía del material semiconductor absorbedor. Así que, los fotones con energías mayores a este valor son sólo parcialmente aprovechados porque tienen un exceso de energía que se pierde en forma de calor. Por otro lado, los fotones de menor energía a la brecha prohibida de material atraviesan el material semiconductor sin ser absorbidos, así que estos son completamente desaprovechados. Para las celdas solares simples estas pérdidas fundamentales limitan la eficiencia a un 30% aproximadamente1.
La radiación solar tiene un espectro muy amplio de energía, que va desde la luz ultravioleta (alta energía) hasta la luz del infrarrojo lejano (baja energía). Por lo tanto, diseñar un dispositivo que utilice toda la energía del espectro solar es un gran reto. Sin embargo, existen dos estrategias para superar esta limitante. La primera es utilizar materiales semiconductores de diferentes brechas de energía en una misma celda solar, lo que se conoce como celda tándem. Otra alternativa y estrategia más económica consiste en utilizar capas de conversión espectral que convierten la luz desaprovechada o no aprovechada eficientemente, en luz más útil para la celda (Fig. 1). Estas capas se colocan sobre la superficie (capa down-conversion o down-shifting) o sobre la cara posterior (capa up-conversion) de una celda solar, utilizando métodos de depósito muy simples y prácticamente sin afectar el proceso de producción del dispositivo. Una gran ventaja es que los convertidores espectrales y las celdas solares fotovoltaicas pueden ser optimizados de forma independiente ya que el convertidor espectral es una capa exterior aislada eléctricamente de esta dispositivo2.
Actualmente, la investigación sobre conversión espectral está enfocada en los puntos cuánticos, las moléculas de tintes orgánicos y los iones lantánidos, los cuales pueden ser utilizados para fabricar tanto capas down-conversion/down-shifting como capas up-conversion. En la práctica, la utilidad de la conversión espectral depende de la brecha de energía de los materiales que componen la celda, y también del espectro solar y su intensidad, lo cual varía según la región geográfica donde el dispositivo esté en funcionamiento. Los componentes de la celda absorben selectivamente ciertas regiones del espectro solar en función de la brecha de energía. En algunas de las celdas solares típicas, las primeras capas absorben la luz UV antes de que ésta llegue a la capa absorbedora y, por lo tanto, se producen pérdidas de fotones. En estos casos, una capa down-conversion o down-shifting evitará este problema, convirtiendo la luz UV en luz roja (Fig. 1). Por ejemplo, la mejora en el rendimiento de una celda solar, al incorporar una capa llamada luminescence downshifting layer (LDS)2, es mostrado en la Fig. 2. Sin esta LDS, la luz UV se perdería en capas previas que tienen una brecha prohibida grande. La eficiencia cuántica externa (EQE, por sus siglas en inglés) resalta la ganancia de luz en la región UV de una celda solar que incorpora una capa LDS
1. Shockley, W.; Queisser, H. J., Detailed balance limit of efficiency of p‐n junction solar cells. Journal of applied physics 1961, 32 (3), 510-519.
2. Regalado-Pérez, E.; Mathews, N.; Mathew, X., Eu (III) complex-polymer composite luminescence down-shifting layers for reducing the blue-losses in thin film solar cells. Solar Energy 2020, 199, 82-91.
Fig. 1. Convertidor espectral o llama luminescence downshifting layer incorporado en una celda solar para prevenir absorción en capa ventana.
Fig. 2. Esquema de una celda solar de CdTe incorporada el luminescence downshifting (LDS) layer (figura izquierda) el cual utiliza capa ventana con brecha de energía mayor. La figura derecha superior muestra aumento en eficiencia cuántica y la figura derecha inferior muestra desplazamiento de onda de luz por atravesar la capa LDS. Figura tomada de Ref [2]
