Contributions to the development of novel solar cells concepts // contribuciones al desarrollo de nuevos conceptos de células solares

Abstract

Esta Tesis contribuye al desarrollo de nuevos conceptos de células solares. Estos nuevos conceptos son aquellas propuestas tecnológicas que no están sujetos al límite de Shockley-Queisser (S-Q), pudiendo sobrepasarlo. Dentro de estas nuevas propuestas tecnológicas, la más avanzada y que hoy en día ya se aplica a nivel industrial es la célula solar de multiunión (MJSC, por sus siglas en inglés). El récord de eficiencia de conversión experimental de las MJSCs es del 46.0% bajo 508 soles de concentración publicado en 2014. Además, otras propuestas tecnológicas fueron propuestas y se englobaron en lo que se conoce como “células solares de tercera generación”, que estaban en investigación y desarrollo y que no se aplicaban a nivel industrial. De estas propuestas en fotovoltaica (PV, por sus siglas en inglés) como nuevos conceptos de células solares, la más desarrollada es la célula solar de banda intermedia (IBSC, por sus siglas en inglés). La eficiencia límite teórica de la IBSC es del 63.2% bajo máxima concentración y asumiendo el Sol como un cuerpo negro a 6000 K. La tecnología más estudiada para implementar las IBSCs ha sido la de puntos cuánticos (QDs, por sus siglas en inglés), denominadas células solares de banda intermedia basadas en puntos cuánticos (QD-IBSC, por sus siglas en inglés). Hasta ahora, los mayores retos de las IBSCs se han enmarcado en demostrar sus principios operacionales, lo cual ya ha sido conseguido a baja temperatura y, más recientemente, a temperatura ambiente. Sin embargo, a pesar de los esfuerzos en la investigación de QD-IBSCs y sus avances, éstas siguen presentando dos problemas principales que disminuyen su rendimiento: una ineficiente absorción de fotones con energías menores que la banda prohíbida (EG) –fotones sub-banda prohibida– y una excesiva en la degradación del voltaje de operación de la IBSC comparada con una célula de referencia (aquella fabricada con la misma estructura de semiconductor, pero en la que se ha remplazado la estructura de QDs que induce la banda intermedia (IB, por sus siglas en inglés) por un material semiconductor convencional). En este contexto, nuestro trabajo se centra en contribuir al desarrollo y mejora de QD-IBSCs viables. Hemos propuesto e investigado la incorporación de técnicas de atrapamiento de luz basadas en texturar el sustrato de QD-IBSCs de alta banda prohibida, fabricadas con QDs de InAs en una matriz de AlGaAs, es decir, InAs/AlGaAs QDIBSCs. A través de una amplia caracterización de las InAs/AlGaAs QD-IBSC texturadas, demostramos que los dispositivos de QD-IBSCs texturados muestran una mejora en la absorción de fotones con energías por debajo de la banda prohibida. Asímismo, los dispositivos basados QD-IB pueden ser utilizados como detectores de radiación infrarroja, a partir del concepto de fotodetector de infrarrojos activado ópticamente (OTIP, por sus siglas en inglés). Nuestro texturado aplicado a dispositivos de InAs/AlGaAs QD-IB también mejora la fotodetección en el rango 3-5 μm. En relación al concepto de IBSC, hemos ampliado la caracterización QD-IBSCs, mostrando, por primera vez el fenómeno de fotovoltaje con dos fotones sub-banda prohibida en prototipos de GaSb/GaAs QD-IBSC. Este fenómeno es análogo al de fotocorriente con dos fotones sub-banda prohibida, en el que en lugar de medir el incremento de la fotocorriente debida a añadir una segunda fuente de iluminación sub-banda prohibida, se mide el incremento del fotovoltaje. Gracias a ello hemos podido mejorar la comprensión del marco teórico de las IBSCs. Además, esta Tesis contribuye al desarrollo de un nuevo método de procesado de células solares delgadas basadas en semiconductores III-V compatibles con caracterización a baja temperatura y que es aplicable a QD-IBSC basadas en InAs/AlGaAs. Siguiendo este método, hemos fabricado y caracterizado células solares delgadas de AlGaAs. Mostramos la adecuación de este método para medir a bajas temepraturas mediante la medida de fotocorriente o eficiencia cuántica de los dispositivos a diferentes temperaturas. Finalmente, la última parte de esta Tesis contribuye al entendimiento del otro concepto de células solares que ya hemos introducido al comienzo, las MJSCs. Hemos estudiado la eficiencia límite de la producción de energía anual (AEE, por sus siglas en inglés) de las MJSC, haciendo una comparación entre las MJSC conectadas en serie (MJSC-SC, por sus siglas en inglés) –presentando dos terminales eléctricos para su conexión– y las MJSC independientemente conectadas (MJSC-IC, por sus siglas en inglés) –presentando dos terminales para cada sub-célula que forme parte de la multiunión–. La eficiencia límite de conversión fotovoltaica para estos sistemas tándem se ha revisado siguiendo un análisis de balance detallado. Los resultados obtenidos nos confirman, por un lado, lo ya sabido: que las MJSC-IC tienen una mayor eficiencia que las MJSC-SC. Además, discutimos acerca del concepto de la AEE con el fin de analizar la optimización de dichas MJSC. Debido a la eliminación de la restricción de la conexión en serie (que hace que la corriente a través de cada sub-célula en la unión sea la misma) en MJSC-IC, éstas también muestran una mayor AEE que las MJSC-SC para el mismo número de células solares. A partir de estos resultados, podemos concluir que sería más conveniente pasar de un sistema de 4-MJSC-SC a uno de 4-MJSC-IC en lugar de aumentar el número de sub-celulas. Esta tendencia se mantiene para un mayor número de células que forman la multiunión. Finalmente, con objeto de contribuir a la capacidad de fabricación y caracterización del Instituto de Energía Solar de la Universidad Politécnia de Madrid (IES-UPM), hemos desarrollado un sistema de electrodeposición para aplicar revesitmiento de metales a las células solares y un sistema de caracterización de reflectancia-transmitancia mediante una esfera integradora.