Para lograrlo, los investigadores han utilizado un proceso denominado “unión directa de oblea” para transferir micras de material semiconductor III–V (así llamado porque se trata de semiconductores de los grupos III a V de la tabla periódica de los elementos) al silicio, una técnica bien conocida en la industria de la microelectrónica a la hora de fabricar chips de ordenadores. Después de la activación del plasma, las superficies de la subcélula se unen en vacío aplicando presión. Los átomos en la superficie de la subcélula III-V se unen con los átomos de silicio, creando un dispositivo monolítico.
La eficiencia alcanzada presenta un primer resultado para este tipo de células multi-unión basadas en el silicio. La complejidad de su estructura interna no se evidencia por su aspecto exterior. De hecho, la célula tiene un contacto frontal y trasero simple, como una célula solar de silicio convencional y por lo tanto se puede integrar en módulos fotovoltaicos de la misma manera.
“Trabajamos con métodos para superar los límites teóricos de las células de silicio”, afirma Frank Dimroth, jefe de departamento en el Fraunhofer ISE. “Es nuestra larga experiencia con las tecnologías del silicio y los semiconductores III–V lo que nos ha permitido alcanzar este hito hoy”. El laboratorio de calibración del Fraunhofer ISE ha medido una eficiencia del 30,2% para una célula multi–unión de III–V/Si de 4 cm2. Para hacerse una idea de lo que supone el salto, la mayor eficiencia de una célula de silicio puro hasta la fecha era de 26,3%, y el límite de eficiencia teórica para este tipo de células es del 29,4%.
Tres subcélulas apiladas
La célula multi–unión de III–V/Si está constituida por una secuencia de subcélulas apiladas una encima de la otra. Los llamados “diodos de túnel” conectan internamente las tres subcélulas de galio-indio-fosfuro (GaInP), arseniuro de galio (GaAs) y silicio (Si), que abarcan el rango de absorción del espectro del sol. La célula superior de GaInP absorbe la radiación entre 300 y 670 nanómetros. La subcélula del medio, GaAs, absorbe la que va entre los 500 y los 890 nm. Y la del fondo, la de silicio, la radiación comprendida entre los 650 y los 1.180 nm.
Las capas III–V son primero depositadas epitaxialmente sobre un sustrato de GaAs y luego unidas a la estructura de la célula solar de silicio. Después se saca el sustrato de GaAs y se coloca el contacto frontal y trasero, además de un revestimiento antirreflectante. “La clave del éxito fue hallar un proceso de fabricación que produce una superficie lisa y altamente dopada que es adecuada para la unión de obleas y para aplicar las diferentes necesidades de silicio y de semiconductores III–V”, explica Jan Benick, jefe del equipo del Fraunhofer ISE. “Confiamos en nuestra experiencia de décadas en investigación en el desarrollo de las células solares de silicio de mayor eficiencia”.
El director del instituto, Eicke Weber, se muestra “satisfecho de que Fraunhofer ISE haya logrado tan convincentemente romper el techo de cristal de un 30% de eficiencia con esta célula. Con este logro hemos abierto la puerta para nuevas mejoras de eficiencia de células basadas en el largamente probado silicio”.
“La célula multi–unión III-V / Si es una demostración impresionante de las posibilidades de nuestro grupo ComBond® para la unión libre de resistencia de diferentes semiconductores sin el uso de adhesivos”, dice Markus Wimplinger, director de Tecnología Corporativa y de IP del Grupo EV. “Desde 2012, hemos estado trabajando estrechamente con Fraunhofer ISE en este desarrollo y hoy estamos orgullosos de los excelentes logros de nuestro equipo”.
