Recolección de luz mediante cristales fotónicos para aplicaciones fotovoltaicas

Resumen

Las células fotovoltaicas basan su funcionamiento en el atrapamiento eficiente de luz para su posterior conversión en energía eléctrica mediante la separación de cargas. Habitualmente, los sistemas usados para minimizar las perdidas por fotones no absorbidos se basan en láminas delgadas interferenciales y/o en aumentar el espesor del medio activo. Existe un interés creciente en usar diversos tipos de nanoestructuras para aumentar la eficiencia, ya sea minimizando la reflexión, o aumentar la absorción mediante el atrapamiento de luz. El uso de nanostructuras ópticas periódicas, es decir cristales fotónicos, puede ser muy beneficioso frente a las laminas interferenciales convencionales ya que los cristales fotónicos presentan una mayor flexibilidad a la hora de diseñar la respuesta óptica del sistema: reflexión, transmisión y absorción y por tanto mejorar la eficiencia. Esta tesis se centra en el diseño de cristales fotónicos para células basadas en materiales III-V. La tesis esta organizada con un primer capítulo introductorio, cuatro capítulos fundamentales presentando los resultados publicados, un capítulo de conclusiones y dos apéndices detallando los métodos utilizados. En el capítulo 2, mediante cálculos numéricos, se muestra que usando cristales fotónicos ya sea en la parte frontal y/o en la parte posterior de una célula de arseniuro de galio (GaAs) bajo concentración se consigue en el mejor de los casos un incremento de un 1% en eficiencia con respecto a una estructura convencional. El capítulo 3 se centra en diseñar un anti-reflectante nanoestructurado para células solares tándem. Estas células utilizan la mayor parte del espectro solar, lo que representa un reto a la hora de minimizar las perdidas por reflectividad. La estructura optimizada para minimizar la reflexión esta inspirada en el ojo de una polilla (moth-eye) y es por ello que consta de conos nanométricos dispuestos en una red periódica. La estructura optimizada tiene un diseño sencillo de dos capas, con sólo una de ellas nanoestructurada parcialmente. Este diseño tiene una transmisión del 99% del espectro mientras que una capa interferencial estándar tiene una transmisión de un 95.5. En el capítulo 4 se realiza una fabricación de esta nanoestructura en el laboratorio, usando tecnologías compatibles con la industria: litografía interferométrica láser y ataque por plasma reactivo. La estructura fabricada no ideal, reduce las pérdidas por reflectividad a tan sólo un 1.4% para el rango espectral en el que trabaja una célula de GaAs (400-870 nm). Esto representa un 15% de mejora relativo frente a haber utilizado un anti-reflectante estándar. Si consideramos un rango más amplio de longitudes de onda (400-1800 nm), esta estructura puede reducir las pérdidas por reflectividad a tan sólo un 3.1%, (un 31% de mejora frente a la lamina interferencial estándar) demostrando el potencial de este diseño. En el capítulo 5, se explora el uso de estas nanoestructuras para tecnologías fotovoltaicas no convencionales como es el caso de una célula termo-iónica asistida por una capa semiconductora. En este capítulo se combinan las estructuras de los capítulos 2 y 3 para incrementar la absorción y actuar como anti-reflectante de la lamina semiconductora. El análisis analítico de la absorción demuestra que la viabilidad de este dispositivo pasa por atrapar la luz eficazmente en capas ultrafinas de menos de 100 nm. En los Apéndices A y B se detallan respectivamente los métodos experimentales y los métodos numéricos utilizados en esta tesis. En resumen, esta tesis se centra en diseñar, analizar y fabricar estructuras fotónicas para tecnologías fotovoltaicas basadas en materiales III-V.