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Récord de eficiencia para una célula de silicio de múltiple unión: 22,3%

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Científicos del Fraunhofer ISE, en colaboración con sus socios, han logrado un nuevo récord de eficiencia del 22,3% para una célula solar de múltiple unión hecha de silicio y materiales semiconductores III-V. El mayor logro es que las capas III-V se cultivaron directamente sobre el silicio.
Récord de eficiencia para una célula de silicio de múltiple unión: 22,3%
Foto: ©Fraunhofer ISE/ A. Wekkeli

Las células solares de silicio dominan el mercado fotovoltaico en la actualidad, pero la tecnología se aproxima a la máxima eficiencia teórica que se puede lograr con el silicio cuando se utiliza como el único material absorbente. Las células solares en tándem combinan varios materiales, lo que permite un mejor aprovechamiento energético del espectro de irradiación solar. Por eso tienen un futuro prometedor.

Al combinar diferentes materiales semiconductores, los investigadores intentan superar el límite de eficiencia teórica del 29,4% para una célula de silicio de una unión única y convertir la luz solar en electricidad de manera más eficiente. La combinación de silicio con compuestos semiconductores III-V como el arseniuro de galio es prometedora.

Para darse cuenta de esto, una de las líneas de trabajo es depositar primero las estructuras de células solares III-V en sustratos de arseniuro de galio, luego transferirlas a una célula solar de silicio utilizando tecnología de enlace de semiconductores y finalmente grabar el sustrato de arseniuro de galio.

Pero hay otras posibilidades menos costosas, como hacer crecer directamente las capas III-V sobre la célula de silicio. En este segundo enfoque, la estructura atómica debe controlarse extremadamente bien durante el crecimiento para que los átomos de fósforo y galio se acomoden en los sitios correctos en la interfaz con el material de silicio. Además, la distancia entre los átomos en la red cristalina debe aumentarse para producir el material de arseniuro de galio.

Los investigadores han estado trabajando en estos desafíos durante más de diez años. Ahora han podido reducir en gran medida los defectos en las capas de semiconductores III-V en el silicio y han producido con éxito una célula solar tándem III-V en combinación con el silicio, con la que se ha logrado el nuevo récord de eficiencia del 22,3%. Y se ha hecho utilizando este enfoque de crecimiento directo. El valor de eficiencia se publicó el 25 de diciembre pasado.

“Estamos encantados con este resultado –explica Andreas Bett, director del Instituto Fraunhofer de Energía Solar (ISE)–. En Friburgo (Alemania) estamos construyendo un nuevo centro de investigación para células solares de alta eficiencia. Nuestro trabajo con células en tándem se llevará a cabo en esas nuevas instalaciones una vez que finalicen en 2020. Con la infraestructura técnica mejorada, esperamos que los desarrollos en células solares de múltiple unión basadas en silicio se aceleren rápidamente”.

El proyecto MehrSi ha permitido optimizar la unión entre el cristal de silicio y la primera capa semiconductora III-V de fosfuro de galio en estrecha colaboración con los grupos de investigación de Thomas Hannappel en la TU Ilmenau, y de Kerstin Volz en la Universidad Philipps de Marburg. Los defectos en la estructura cristalina se redujeron paso a paso. “La eficiencia de nuestra célula en tándem III-V/Si demuestra que hemos logrado una muy buena comprensión de los materiales”, explica el Frank Dimroth, coordinador del proyecto MehrSi. Con el exitoso en el crecimiento directo de las capas de materiales III-V en el silicio, podemos evitar el uso de sustratos caros de III-V para la epitaxia. Este enfoque es, por lo tanto, clave para la fabricación rentable de células solares en tándem de alta eficiencia en el futuro.

El proyecto MehrSi ha sido financiado por el Ministerio Federal Alemán de Educación e Investigación BMBF. Los socios del proyecto han sido TU Ilmenau, la Universidad Philipps de Marburg y el fabricante del sistema Aixtron SE.

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