Fraunhofer ISE alcanza una eficiencia del 40% para células solares III-V de interior

Bajo la excitación de un láser de 405 nm, la célula solar interior GaInP brilla en rojo brillante.

Científicos del Instituto Fraunhofer de Sistemas de Energía Solar ISE (Fraunhofer ISE) en Alemania han desarrollado un fosfuro de galio e indio (GaInP) para interiores que logra una eficiencia de conversión de energía de más del 40%.

El GaInP es un material semiconductor III-V que se utiliza comúnmente en electrónica de alta potencia y alta frecuencia debido a su mayor velocidad electrónica en comparación con el silicio y el arseniuro de galio. Tiene una banda prohibida de energía de 1,9 eV, lo que los investigadores describieron como ideal para aplicaciones en interiores.

El arseniuro de galio (GaAs) y otros materiales III-V , denominados así por los grupos de la tabla periódica a los que pertenecen, se encuentran entre los más conocidos en cuanto a potencial de eficiencia para células solares. Sin embargo, sus elevados costes de producción los han limitado hasta ahora a aplicaciones específicas para la alimentación de satélites y drones. En estos dispositivos, el bajo peso y la alta eficiencia son preocupaciones más apremiantes que el coste de la energía producida.

“Investigamos el rendimiento de las células solares con diferentes arquitecturas en condiciones de poca luz”, afirmó el investigador principal, Malte Klitzke. “Se demostró que la célula de GaInP dopada con n tiene un rendimiento significativamente mejor que la célula dopada con p. Las células de GaInP dopadas con n generan más portadores de carga y producen más electricidad, incluso con luz muy débil. Esto nos permitió alcanzar eficiencias muy altas en nuestros experimentos al convertir la luz tenue en interiores en energía utilizable”.

En el estudio “ Optimización del diseño del absorbedor GaInP para una eficiencia de conversión fotovoltaica en interiores superior al 40% ”, publicado en Applied Physics Letters , el equipo de investigación explicó que tanto la heteroestructura doble GaInP de tipo p como la de tipo n (DH) se desarrollaron en red ajustada sobre arseniuro de galio (GaAs) para investigar la dinámica de los portadores de carga, y el dopaje se ejecutó a través de perfiles de capacitancia-voltaje electroquímicos.

Las celdas se fabricaron con arquitecturas de homojunción y heterojunción posterior, con un espesor de absorbente de 700 nm y 850 nm, respectivamente, y se procesaron mediante fotolitografía y grabado químico húmedo. «Se depositaron contactos metálicos óhmicos en ambas caras de la oblea, con un contacto posterior de área completa y una rejilla frontal con dedos paralelos y una barra colectora para una eficiente captación de corriente», explicaron los académicos. «Los dispositivos se separaron mediante grabado químico húmedo en mesa y se aplicó un recubrimiento antirreflectante de dos capas».

Se determinó que la celda era capaz de alcanzar una eficiencia del 37,5 % a 100 lx y del 40,9 % a 1000 lx. «Para intensidades de iluminación superiores a 700 lx, el dispositivo de heterounión trasera con mayor dopaje presentó las mayores eficiencias, alcanzando el 41,4 % a 1000 lx», señala el artículo.

El equipo de investigación atribuyó los altos niveles de eficiencia al absorbedor tipo n que opera en condiciones de poca luz, lo que, según afirmaron, facilita la generación de un número significativamente mayor de portadores de carga en exceso. «El diseño de heterojunción trasera mantuvo mayores densidades de portadores de carga en exceso, lo que resultó en un factor de llenado y un voltaje de circuito abierto superiores en comparación con la homojunción», explicó.

La célula solar desarrollada está destinada a ser utilizada en aplicaciones autónomas de Internet de las cosas (IoT) que funcionan en interiores sin una fuente de alimentación cableada externa.

Una revisión reciente de las tecnologías de células fotovoltaicas para interiores, realizada por un equipo internacional de investigación, documenta más de 250 dispositivos comerciales y de laboratorio, tanto de área grande como pequeña. Abarca dispositivos orgánicos, sensibilizados con colorante y de perovskita, así como células de silicio cristalino y amorfo, semiconductores III-V, calcogenuros y las emergentes células alternativas sin plomo. La revisión también incluye un análisis de las aplicaciones, los avances recientes y las estrategias empleadas para diseñar células más estables y de alta eficiencia que funcionen con niveles de luz muy bajos.

Imagen: Fraunhofer ISE