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CÉLULAS SOLARES:
1. INTRODUCCIÓN. En un cristal perfecto, a 0 K, los
electrones están fijados en sus posiciones de equilibrio
por las fuerzas electrostáticas. Con ellas interaccionan con
los átomos a los que ligan. Ese cristal sería un aislante
perfecto. Sin embargo, en un metal, los electrones no enlazan determinados
átomos, pueden moverse en el cristal y producir corriente eléctrica
cuando se aplica un voltaje.
En los semiconductores, un aumento de temperatura produce un aumento de su conductividad, esto es debido a que la banda de energía prohibida que separa en ellos las bandas de valencia y conducción, es lo suficientemente estrecha, del orden de unos pocos KT, para que se puedan observar cambios en la conducción por efecto térmico, Tanto los electrones promovidos a la banda de conducción como los huecos dejados por éstos en la banda de valencia contribuyen a la conducción. La creación de portadores en exceso puede hacerse también irradiando el material con una radiación de frecuencia tal que ![[condición a la frecuencia]](form1.gif){kind=small}
donde 
es la diferencia entre la energía más baja en la
banda de conducción y la energía más alta de
los estados de la banda de valencia.Podemos conocer este gap de energía prohibida para cada uno de los semiconductores midiendo su espectro de absorción. Al someter un semiconductor irradiado a una diferencia de potencial se producirá una corriente eléctrica cuya densidad de corriente es proporcional a la densidad de portadores libres. También la conductividad de los semiconductores varía proporcionalmente con el numero de los portadores libres, tanto electrones como huecos.
También
se observa que la conductividad aumenta con la intensidad de la
luz. b) Habrá más corriente cuanto mayor sea el contacto de las láminas con el conductor, sin embargo, la lámina superior debe ofrecer la mayor superficie posible a la radiación. c)
El conductor deberá ser un material con la menor resistencia
posible, lo cual exige usar metales muy caros como oro o platino. 1) Que el fotón sea suficientemente energético como para que la energía absorbida por el electrón baste para promoverlo a la banda de conducción, en cuyo caso sólo se aprovechará la energía suficiente para saltar el gap y se perderá el resto en forma de calor, disminuyendo el rendimiento del dispositivo fotovoltaico. Para evitar esta pérdida de eficiencia pueden tomarse varias medidas que se apuntarán mas tarde. 2)
La parte del espectro de longitud de onda suficientemente larga,
relativamente al gap del semiconductor en consideración, no se
aprovechará ya que los fotones no tendrán suficiente energía
corno para promover los electrones a la banda de conducción.
Esto puede observarse en la figura 1 donde se nuestra el espectro
de radiación de la luz solar a la superficie terrestre y la
parte del espectro utilizable en la generación do pares electrón-hueco
en semiconductores con gaps de energía de 2'25, l'45, l'07,
0'68 y 0'34 eV. y el número de pares electrón-hueco generados
suponiendo que exista un eje de absorción recto donde es completa
y la reflexión nula. Fig 2 Porción
de energia solar utilizada en generar pares por gap de energia:
La figura 2, da la parte de la energía
solar que puede ser utilizada en generación de pares electrón-hueco
como función de la anchura del gap del semiconductor. La
gráfica está construida teniendo en cuenta la absorción
incompleta de la radiación y la utilización incompleta
de la energía de los fotones. Se obtiene un máximo
del 46% de la energía incidente para un gap de 0’9 eV. Hay que
observar que el Silicio tiene un gap de 1'16 eV., GaAs de l'43 eV.,
Ge do 0'74 eV. (ver tablas de gaps).
Nº de pares
electrón hueco generados por gap de energia
La figura
3, da el número máximo de pares posibles generados por
radiación por cm2 de área expuesta
y por segundo, también da la máxima densidad de corriente
jL como función
del gap del semiconductor utilizado, a) Absorción incompleta de la radiación por la célula. b) Utilización de una parte únicamente de la energía del fotón para crear pares electrón-hueco. c)
Pérdidas dadas por el "Factor de voltaje": Estas
limitaciones absolutas pueden minimizarse utilizando el material
semiconductor adecuado esto es, con parámetros óptimos.
En cuanto a: Fig 4
2. MATERIALES
PARA USO EN CÉLULAS SOLARES
En la figura 5, se muestra el rendimiento teórico máximo de células fotovoltaicas, construidas con uniones simples p-n, con un gap de energía constante, frente al valor del gap de energía del semiconductor con el que está construida.
Pueden observarse, ahí, los rendimientos teóricos relativos de: Silicio, Fósfuro de Indio, Arseniuro de Galio y Teluro de Cadmio y se ve que el máximo se alcanza en semiconductores con gap entre l'25 y l'50 eV, con una eficiencia de conversión fotovoltaica del 23'6%. También se encuentran en ese rango de gap el Antimoniuro de Aluminio y la Estibinita, y otros muchos que se encuentran en las tablas de gaps y aún no han sido experimentados. El Arseniuro de Galio (GaAs) tiene el gap apropiado y una movilidad electrónica como la del Silicio. Tiene la ventaja sobre él, que trabaja mejor a altas temperaturas, hecho de gran importancia para células que trabajan en sistemas concentradores de radiación. El GaAs tiene la desventaja sobre el Si de que los defectos cristalinos juegan en él un papel más importante. El Fosfuro de Indio (InP) es más difícil de preparar que el GaAs y rinde menos que él. El Teluro de Cadmio (CdTe) , el Antimóniuro de Aluminio (SbAl) y la Estibinita tienen bajas movilidades, así que las eficiencias en la colección de portadores serán bajas. Centremos la atención ahora sobre el Silicio (Si): Es un material semiconductor con estructura cúbica. Cada átomo de la red tiene cuatro electrones de valencia. Es el elemento mas abundante después del Oxigeno y se encuentra en casi todas las rocas, sin embargo, hasta llegar a su forma cristalina sin imperfecciones o, al menos, con pocas, debe someterse a costosos procesos actualmente. Un cristal de Silicio de tipo p puede conseguirse dopando silicio con átomos de tres electrones de valencia, como por ejemplo el Boro. Un cristal de Silicio de tipo n puede obtenerse dopándolo con átomos cinco electrones de valencia, por ejemplo con Fósforo. El Silicio tiene un gap de 1.16 eV, así que se encuentra en el rango en que la eficiencia puede ser máxima y ésta seria del orden del 21'6%. Se han obtenido eficiencias en laboratorio de hasta 19%. Comercialmente se alcanzan eficiencias de alrededor del 15% aunque lo mas corriente es encontrar rendimientos entre 12-13%. En cuanto a la relación coste/rendimiento, las células de Silicio actuales son bastante caras, variando según los métodos con que se han obtenido. Los métodos que dan mejores rendimientos a las células de Silicio son: 1) El método de crecimiento de Czocharalski, en el que se hace girar una semilla de cristal sumergida en el cristal de Silicio fundido a la vez que se saca lentamente. Se pierdo hasta un 70% del Silicio al cortarlo para obtener los sustratos finales. Se obtienen con él células que operan entre 15 y 18% de rendimiento. 2) El proceso Westinghouse, por el que se forma una cinta estrecha de Silicio entre dos semillas y se tira hacia arriba de un fundido superenfriado de Silicio, Se pueden obtener 24 cm2 /minuto con rendimientos del 12%. 3) Proceso E.F.G. o de Borde Definido. Es otra técnica de Formación de cinta, esta vez se tira de ella haciéndola pasar a través de la ranura que dejan dos moldes de Grafito, obteniéndose grosores de 0'25 mm.,con rendimientos del 11%. 4) -Proceso R.T.R., en el que se hacen crecer en vapor capas de Silicio sobre un sustrato temporal del que se obtendrán las láminas que se someterán a un refinado de zona usando rayos láser enfocados, consiguiendo rendimientos del 9-10%. 5) El Silicio policristalino está siendo estudiado también para producir sustratos de menor coste, sin embargo, aún hay que cortar y pulir las láminas. Se obtienen eficiencias entre 13 y 16% para 20 cm2 y 10% para 100 cm2 , en las que no parece perjudicar la policristalinidad. 6) Se han obtenido por solidificación dirigida lingotes largos con 14% de eficiencia. 7) Pueden obtenerse cristales de Silicio en capas de 15-30 µ de grosor por medio de solidificación unidireccional seguida de crecimiento epitaxial con eficiencias entre 10 y 12'5%. 8) De implantación de iones con templamiento térmico del Silicio se han obtenido eficiencias entre 14 y 16%. 9) Produciendo el templamiento en células fotovoltaicas de Silicio policristalino con iones implantados por medio de láser se obtienen eficiencias superiores al 14%. 10) Bombardeando con un haz de Oxido de Indio-Estaño ( ITO) Silicio tipo p de cristal simple, se han obtenida eficiencias entre 13 y 15%. 11) El óxido de Indio-Estaño depositado pulverizado sobre silicio tipo n ha dado eficiencias del 12% para Silicio simple y 10% para Policristalino.
Aumentando el nivel de dopado se mejoraría el rendimiento en la colección, sin embargo, disminuiría al mismo tiempo, la movilidad de los portadores, por lo que no se habría ganado en rendimiento. Células de Silicio con Fósforo difundido hasta una profundidad. de 0'5 µ a una concentración de alto nivel muestran rendimientos entre 11 y 14%. Con el
Silicio amorfo (Si-a) pueden obtenerse células
fotovoltaicas bastante baratas. Lógicamente en el Si-a habrá muchos más centros de recombinación de pares que en el cristal de Silicio, centros do recombinación por impurezas aparte, por la variación de enlace de los electrones con los átomos. Con Si-a:H ó Si-a:F:H se evitan gran parte de los centros de recombinación citados. El rendimiento
de las células de Si-a crecen, por lo tanto, con la calidad
de las capas dopadas. Es conveniente reducir la anchura de su gap. Se han fabricado células de gap estrecho con Si-a:Ge:H pero ha bajado el rendimiento con el
De grosor inversamente proporcional al coeficiente de absorción de los fotones con la energía del gap del semiconductor con el que se construye. Las eficiencias esperadas, para dispositivo mas baratos que los actuales, con estas células son: para CdS y Si policristalino un poco por encima del 9% y 9'8% respectivamente. Con CdS sobre Zn cubriendo hojas de Cu. de forma que, al bañar posteriormente con una solución de Cloruro se forma Cu2 S se obtienen rendimientos entre el 5 y 6% y cuidando las pérdidas hasta 9'2%. Pero se puede mejorar sólo hasta un l0-l1% debido a los estados de interfase y las discontinuidades de la banda de conducción del CdS/Cu2S. Sin embargo, si en lugar de Cds utilizamos CdZnS la eficacia puede llegar hasta el 15% al mejorar la afinidad electrónica. hasta ahora, de este tipo de células con CdZnS/Cu2S se han medido rendirnientos de hasta el 8'7%. El CdTe
es el único compuesto entre los obtenidos de las columnas
II-VI del sistema periódico del que pueden obtenerse cristales
de tipo p y de tipo n. Uniones p+-n de CdTe epitaxial crecido al vapor
han rendido un 6%. Uniones nCdS/pCdTe han rendido un 8%. Células obtenidas de uniones de materiales III-V en cristales simples han rendido cerca del 20% aunque son muy caros. Así con GaAs se han obtenido con células de 4µ, láminas crecidas al vapor sobre sustratos de Ge. Si los sustratos pudieran hacerse más baratos disminuiría en mucho el costo de éstas células con tal rendimiento. Con uniones de InP, que también es un material III-V, se obtienen rendimientos del 15%. Sobre sustratos ITO se han obtenido células de cristal simple de InP con rendimiento del 13%. Células
Zn3P2 conseguidas por evaporación en metales y Células de WSe2 con barreras de Schottky de tipo p de Al han dado eficiencias del 5'3%. Las mismas eficiencias se han obtenido en células de In0.4Se0.6 amorfo con contactos de SnO2. CuxSe
y CdS han sido utilizados para formar células con unión
p-n con láminas de InP de 50 µ depositado sobre un sustrato
de GaAs con Carbono obteniendo rendimiento del 5’7 %. Se han probado materiales orgánicos para construir células de lámina delgada de: ftalocianina, clorofila, merocianina y poliacetileno, ya que algunos de estos materiales comparten algunas características del Silicio amorfo. Como
se ha dicho ya, con células de lámina delgada de Sílicío
amorfo se obtienen rendimientos por encima del 5%. Estas se hacen
con la técnica MIS (metal-insulators-semiconductor) consistente
en colocar una capa aisladora (entre dos y tres nm) entre Silicio
amorfo con Hidrógeno, pero no dopado, y un metal de gran función
trabajo como el acero. Esto puede hacerse con un costo bastante bajo. La radiación debe enfocarse hacia las células, así que ha de seguirse la trayectoria del sol. Son necesarios dispositivos de refrigeración y puede aprovecharse también el calor obtenido. Sólo
se aprovecha la componente de la radiación colimada mientras
que la parte difusa se pierde, ya que sólo la colimada puede
ser concentrada. Se obtienen células de Silicio con eficiencias del 19% a 50 soles, del 14% á 30 soles y del 12% a 90 soles. Se espera obtener rendimientos del 20% a 100 soles mejorando el contacto óhmico, aumentando el dopado de la cara posterior de la célula solar y disminuyendo las pérdidas de portadores minoritarios. Según vaya mejorándose la eficiencia de las células de Silicio, el efecto sobre el rendimiento de este tipo de células será multiplicativo. Hasta ahora, a 600 soles y con el diseño EMVJ, con profundas estrías en las células, se han obtenido rendimientos del 20'5% en pequeñas áreas. Con células de GaAs en la forma de uniones de GaAs. p+ /n cubiertas con una capa de p+Ga0,1A10,9As se han obtenido eficiencias del 22% a 1 sol y entre 100 y 400 soles eficiencias de 24 a 25%. En esta forma de operar el GaAs. es mas idóneo que el Si porque tiene un gap mayor que le permite trabajar mejor a altas temperaturas. Las células
de GaAs pueden tener gran importancia en la industria de aplicaciones
calientes. Para dar una idea se obtienen: a 2OO ºC y 270 soles 14% de rendimiento El sistema
de concentración de la radiación puede utilizarse sobre
un "Cuerpo Negro” dentro del cual se coloca una célula solar optimizada
para operar a longitud de onda de infrarrojo, ya que la radiación
llega a la célula solar con el espectro corrido hacia el rojo.
Se han
obtenido rendimientos del 26% con Silicio un "Cuerpo Negro" a 2300
K y se predicen eficiencias del orden 40%
El "Factor Curvo" y el de "Voltaje" disminuyen con la disminución del gap y la corriente generada, esto y la conveniencia de que cada capa conduzca la misma corriente reduce la esperanza de aprovechar todo el espectro. Las razones
anteriores conducen a gaps de 1,82, 1,24 y 0,68 eV. como los mas adecuados,
corresponden a una conversión limite del 36,4% en eficiencia
fotovoltaica y del 73% en la utilización de la radiación
para la formación de pares electrón-hueco. Añadiendo a una lámina de GaAs otra de un material de alto gap,por ejenplo de 2 eV pueden obtenerse eficiencias de 35% y con tres láminas superpuestas alrededor del 40%. Bajo concentración de 300-1000 soles, para dos capas las ganancias serian mayores del 40% para dos láminas y casi del 50% para tres. Otra idea en esta dirección es "dividir" el espectro con espejos., dicroicos y cada parte ser aprovechada por una célula de qap diferente. Esto se ha hecho con células de Si y Ca0,8A10.2,As y un espejo dicroico con línea de corte a 1,6 eV. obteniéndose eficiencias de 28,5% a 165 soles de intensidad.
No se conoce mucho acerca de los niveles de trampa, ya que el conocimiento de sus propiedades depende de las impurezas y dislocaciones de los materiales que se usen para este tipo de células solares. En realidad,
algunas de las eficiencias que se mencionan para los distintos materiales
se deben en gran parte a los niveles de trampa existentes en sus gaps,
por ejemplo en el CdS y el Si. Las mayores
pérdidas de material semiconductor se producen al cortarlo.
Como para
una misma serie isoelectrónica (III-V) o (II-VI) son los elementos
con mayores pesos atómicos los que forman los compuestos con
las mayores movilidades y vidas medias de portadores, podemos suponer
que serán los elementos de gran número atómico
medio y bajo punto de fusión los que, seguramente, tendrán
buenas movilidades y vidas medias y serán idóneos.
Otros compuestos de ancho gap y alta afinidad electrónica son: CuAsS, es negro. Cu3AsS3 tiene una estructura como la del NaCl y gap de 1,0 eV ambos son tetraédricos. Compuestos casi tetraédricos: HgA12S4, HgAl 2Se4 son negros HgIn2Te4,
HgIn 2Se4, CdIn2
Te4 con gaps respectivos de 0,86-1,25,
0,6 y 0,92 y de éstos, el primero tiene una movilidad de
portadores de 200 cm2 /v.s. RuSe2,
OsSe2 con gaps aproximadamente de 1 y 2 ev.
respectivamente y OsAs2 con gap de 0,9 eV. En tabla 2 encuentran los posibles materiales; para uniones p-n con gap ancho. En tabla 2 se encuentran los posibles materiales para barreras Schottky.
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conducción - 
| A LA PÀGINA PRINCIPAL |
mmmmmmmmmmmmmm |