Desarrollo de técnicas experimentales para la demostración de los principios de funcionamiento de la célula solar de banda intermedia

Resumen

El trabajo es una contribución al desarrollo de la célula solar de banda intermedia (IBSC), un dispositivo fotovoltaico con una eficiencia teórica máxima superior a la de las células solares convencionales (63.2% frente a 40.7%). El diseño del dispositivo se basa en la utilización de un material que contenga una tercera banda energética para electrones (la banda intermedia, IB), además de las bandas de conducción y valencia (CB, VB). De acuerdo con el modelo teórico, una IBSC puede generar fotocorriente extra con respecto a una célula solar convencional (puede aprovechar los fotones de energía inferior a la banda prohibida o gap a través de transiciones VB-IB e IB-CB) manteniendo tensiones de salida similares (únicamente limitadas por el gap VB-CB y no por la posición de la IB). Las dos líneas propuestas hasta el momento para implementar este dispositivo son el uso de puntos cuánticos (QD-IBSC) y la síntesis de un material de IB volúmico mediante el dopado de un semiconductor con impurezas de centro profundo. En el caso volúmico se estima que la densidad de impurezas ha de superar un valor crítico (6×10^19 cm^-3) para que la recombinación no radiativa (NRR) sea suprimida. En este trabajo se ha estudiado experimentalmente si los principios del modelo de IBSC se cumplen en prototipos de InAs/GaAs QD-IBSC. La conclusión es positiva, pues se ha podido medir por primera vez: (a) fotocorriente producida inequívocamente por absorción simultánea en las dos transiciones sub-gap en modo fotovoltaico, y (b) tensiones de circuito abierto que superan la energía de los sub-gaps VB-IB e IB-CB. Ambos fenómenos sólo han podido ser observados a bajas temperaturas. Mediante la caracterización de distintas QD-IBSCs se han identificado no-idealidades que explican su comportamiento a temperatura ambiente. Se ha puesto especial énfasis en el escape de portadores de la IB a la CB, que puede tener componentes térmicas o producidas por mecanismos túnel, y se han probado formas de reducirlo con resultados positivos. Se ha medido el tiempo de vida de portadores en muestras de Si dopadas con Ti en concentraciones por encima de la densidad crítica. Aunque el tiempo de vida en las muestras está degradado con respecto al de una referencia sin dopar, los valores aumentan al aumentar la densidad de impurezas introducida, de acuerdo con la predicción de la supresión de NRR en materiales IB volúmicos. En este trabajo se propone un nuevo dispositivo que combina dos IBSCs en una configuración multi-unión (2J-IBSC). Bajo las condiciones de idealidad del modelo de balance detallado que se ha desarrollado, los límites absolutos de eficiencia son 73.2% (sin interconexión) y 72.7% (bajo conexión en serie). También se ha evaluado la posibilidad de combinar una célula solar de un solo gap con una IBSC de la misma manera; los límites absolutos de eficiencia son en este caso 68.6% (sin interconexión) y 67.9% (bajo conexión en serie). Se ha discutido la dependencia de la eficiencia con respecto a distintos factores y la idoneidad de algunos semiconductores para ser utilizados como materiales base para implementar estos dispositivos.