La célula solar III-V de unión única basada en sustrato de GaAs astillado logra una eficiencia del 26.9 %

Fuente: https://www.pv-magazine.com/

Los investigadores de NREL utilizaron un sustrato de arseniuro de galio astillado acústicamente que, según se informa, reduce la derivación eléctrica, lo que resulta en costos de fabricación potencialmente más bajos. La celda alcanzó un voltaje de circuito abierto de 1,061 V, una densidad de corriente de cortocircuito de 29,9 mA/cm2 y un factor de llenado de 84,9 %.

Una celda solar de GaAs desarrollada por científicos del NREL. Imagen: Dennis Schroeder, NREL

Investigadores del Laboratorio Nacional de Energía Renovable del Departamento de Energía de EE. UU. han fabricado una célula solar de arseniuro de galio (GaAs) III-V basada en un sustrato hecho de GaAs astillado.

El costo de producir celdas solares basadas en compuestos de materiales de elementos III-V , nombrados según los grupos de la tabla periódica a los que pertenecen, ha confinado estos dispositivos a aplicaciones de nicho, como drones y satélites, donde el bajo peso y la alta eficiencia son preocupaciones más apremiantes que el costo de la energía producida.

“La reducción de los costos de fabricación se considera clave para las aplicaciones terrestres, y una forma de lograrlo es tener la capacidad de reutilizar repetidamente el sustrato sobre el que se cultivan las células”, señalaron los investigadores. Esta fue la motivación para desarrollar el desconchado acústico, un nuevo proceso que, según ellos, representa una vía de reutilización de bajo costo para sustratos de crecimiento epitaxial III-V con recuperación y reutilización del sustrato.

En el artículo » Células solares de GaAs cultivadas en sustratos de GaAs astillados acústicamente con una eficiencia del 27 % «, que se publicó recientemente en Joule , los investigadores explicaron que el desprendimiento acústico, que también se conoce como despegue sónico (SLO), es un proceso experimental que utiliza ondas de sonido para controlar la propagación de la punta de la grieta durante el desprendimiento con el fin de suprimir la formación de facetas y mejorar la planitud de la superficie.

«La tecnología existente utiliza una capa de grabado de sacrificio, que permite que una célula se levante de un sustrato de arseniuro de galio (GaAs) para que el sustrato pueda usarse nuevamente, pero el proceso lleva horas y deja un residuo que requiere un paso de pulido», explicó el grupo. “El pulido es relativamente costoso y limita los posibles ahorros de costos de este método de reutilización del sustrato. Por el contrario, el desconchado toma segundos, creando una fractura controlada dentro del sustrato casi paralela a su superficie. Esta fractura permite que la celda se elimine fácilmente, revelando una nueva superficie libre de contaminantes desde el interior del sustrato que no requiere pulido”.

Los académicos construyeron dispositivos fotovoltaicos con una estructura de nip y un emisor de 1 mm de espesor hecho de GaAs y selenio (SE), una capa de GaAs dopada involuntariamente de 1 mm y una capa base de 1 mm hecha de GaAs y zinc (Zn) sobre un sustrato SLO astillado sin grabado húmedo.

Probado en condiciones de iluminación estándar, el dispositivo campeón fabricado con esta arquitectura logró una eficiencia de conversión de energía certificada del 26,9 %, un voltaje de circuito abierto de 1,061 V, una corriente de cortocircuito de 29,9 mA/cm2 y un factor de llenado del 84,9 %, con la celda sin mostrar signos de derivación no lineal, lo que reduce la corriente que fluye a través de la unión de la celda solar y reduce el voltaje de la celda solar .

“Estos resultados permiten el crecimiento epitaxial de dispositivos de alto rendimiento en sustratos de costo potencialmente más bajo con características de escala milimétrica”, dijeron los investigadores, y agregaron que el desconchado acústico utilizado para construir las células fue desarrollado en la Universidad Estatal de Arizona y ahora está siendo comercializado por la empresa emergente Crystal Sonic Inc. con sede en Phonenix.

En julio de 2022, otros investigadores del NREL desarrollaron una celda solar III-V basada en un sustrato hecho de germanio astillado (Ge). Usaron Ge desconchado en lugar de arseniuro de galio (GaAs), ya que el primero, que se usa comúnmente en aplicaciones espaciales, supuestamente reduce varios problemas asociados con el desconchado de GaAs.

Esta celda solar fue capaz de lograr una eficiencia de conversión de energía del 23,36 % cuando no había defectos de astillado. También logró un voltaje de circuito abierto de 1,019 V, una densidad de corriente de cortocircuito de 28,49 mA cm- ² y un factor de llenado de 80,45 %. Según los científicos, estos resultados muestran que no es necesario devolver el germanio astillado a un estado impecable y pulido para lograr un rendimiento de dispositivo de alta calidad.