Célula fotovoltaica multiunión

Conexiones múltiples de células solares son células solares con múltiples uniones p – n hecha de materiales semiconductores diferentes. P-n de cada material a producir corriente eléctrica en respuesta a un diferente longitud de onda de la luz. El uso de múltiples materiales semiconductores permite la absorción de una amplia gama de longitudes de onda, mejora de la luz solar de la célula para eficiencia de conversión de energía eléctrica.

Tradicionales cruce solo las células tienen una eficacia teórica máxima de 34%. Teóricamente, con un número infinito de ensambladuras, eficiencia de las conexiones múltiples células sería 87% bajo la luz solar concentrada.

En la actualidad, los mejores ejemplos de laboratorio de células solares de silicio tradicionales tienen eficiencias de alrededor del 25%, mientras que ejemplos de laboratorio de cruce de múltiples células han demostrado rendimiento más del 43%. Ejemplos comerciales de tándem, de dos capas, las células están ampliamente disponibles en 30% bajo un sol iluminación, y mejorar a alrededor del 40% bajo la luz solar concentrada. Sin embargo, esta eficiencia se gana a costa de mayor complejidad y precio de fabricación. Hasta la fecha, su precio más alto y más alto relación calidad-precio han limitado su uso a funciones especiales, en particular en industria aeroespacial donde su alto cociente del energía-a-peso es deseable. En aplicaciones terrestres se han sugerido para el uso en estas células solares energía fotovoltaica concentrada (CPV), con numerosos sitios de prueba pequeña alrededor del mundo.

Técnicas de fabricación en tándem se utilizan para mejorar el rendimiento de muchos de los diseños existentes. En particular, la técnica se puede aplicar a menor costo células solares de película delgada usando silicio amorfo, a diferencia de silicio monocristalino, para producir una célula con un 10% la eficiencia que es ligero y flexible. Este enfoque ha sido utilizado por varios proveedores comerciales, Pero estos productos están actualmente limitados a ciertos papeles de nicho, como materiales para techos.

Descripción

Conceptos básicos de las células solares

Figura A. Diagrama de banda Ilustración de la efecto fotovoltaico. Fotones dar su energía a los electrones en el agotamiento o regiones cuasi-neutrales. Éstos mueven de banda de conducción Para banda de Valencia. Dependiendo de la ubicación, electrones y agujeros se aceleran por E_deriva, que da generación photocurrent, o por E _Muse, que da photocurrent dispersión.

Células fotovoltaicas tradicionales comúnmente están compuestas por dopado silicio y luego depositar contactos metálicos en la parte superior e inferior. El dopaje se aplica normalmente a una capa delgada en la parte superior de la célula, produciendo un Unión PN con un particular bandgap energía, E_g.

Fotones golpeó la parte superior de la célula solar reflejada o transmitida dentro de la célula. Los fotones transmitidos tienen el potencial para dar su energía hν a un Electron If hν ≥ E_g, generando un electrón -agujero par. En la región de agotamiento, el campo eléctrico de la deriva E_deriva acelera tanto electrones y agujeros hacia sus respectivas dopada de n y p-dopado regiones (arriba y abajo, respectivamente). La resultante actual I_g es llamada la generación photocurrent. En la región casi neutral, el campo eléctrico de dispersión E_Muse agujeros (electrones) se acelera hacia el p-dopado (n-dopado) región, lo que da un photocurrent dispersión I_pscatt (I_nscatt). En consecuencia, debido a la acumulación de cargos, un potencial V y un photocurrent I_ph aparecen. La expresión para esta photocurrent se obtiene mediante la adición de generación y photocurrents de dispersión: I_ph =_g +_nscatt +_pscatt.

El J-V características (J es la densidad de corriente, es decir, actual por unidad de área) de una célula solar bajo iluminación se obtienen cambiando la J-V características de un diodo en la oscuridad hacia abajo por I_ph. Puesto que las células solares están diseñadas para suministrar la energía y no absorberlo, el poder P = V·YO_ph debe ser negativo. Por lo tanto, la operación punto (V_mJ_m) se encuentra en la región donde V> 0 y I_ph< 0 y elegido para maximizar la valor absoluto de la energía |P|.

Mecanismos de pérdida

El Shockley-Queisser límite para la eficacia de una simple unión de células solares. Es esencialmente imposible para una célula solar individual-cruce, bajo la luz del sol no concentrado, a tener más ~ 34% de eficiencia. Una célula multiunión, sin embargo, puede exceder ese límite.

El rendimiento teórico de una célula solar primero fue estudiado en profundidad en los años 60 y hoy es conocido como el Shockley – Queisser límite. El límite describe varios mecanismos de pérdida que son inherentes a cualquier diseño de la célula solar.

El primero son las pérdidas debido a radiación del blackbody, un mecanismo de pérdida que afecta a cualquier objeto material anterior cero absoluto. En el caso de las células solares en presión y temperatura estándar, esta pérdida representa el 7% de la energía. El segundo es un efecto conocido como "recombinación", donde el electrones creado por el efecto fotoeléctrico cumplir con la agujeros del electrón dejados atrás por las excitaciones anteriores. En silicio, esto representa un 10% de la energía.

Sin embargo, el mecanismo de pérdida dominante es la imposibilidad de que una célula solar extraer todo el poder en la fotóny el problema asociado que no puede extraer ningún poder en absoluto de ciertos fotones. Esto es debido al hecho de que los electrones deben tener suficiente energía para superar la banda prohibida del material.

Si el fotón tiene menos energía que la banda prohibida, no se recogen en absoluto. Esta es una consideración importante para las células solares convencionales, que no son sensibles a la mayoría de los infrarrojo espectro, aunque eso representa casi la mitad de la energía proveniente del sol. Por el contrario, los fotones con más energía que la luz bandgap, dice azul, inicialmente expulsar un electrón a un estado por encima de la banda prohibida, pero esta energía extra se pierde por las colisiones en un proceso conocido como "relajación". Esta energía perdida se transforma en calor en la célula, que tiene el efecto secundario de seguir incrementando las pérdidas de cuerpo negro.

La combinación de todos estos factores, es la máxima eficiencia para un material único-bandgap, como células de silicio convencionales, alrededor del 34%. Es decir, el 66% de la energía de la luz del sol golpea la célula se perderán. Preocupaciones prácticas más reducen esto, en particular reflexión de la superficie frontal o los terminales metálicos, con células de alta calidad modernas en torno al 22%.

Más bajo, también llamado más estrecho, bandgap materiales convertirá más larga longitud de onda, los fotones de energía más bajos. Materiales bandgap superior o más amplia convertirán de longitud de onda más corta, mayor energía de luz un análisis de la AM1.5 espectro, muestra el mejor equilibrio se alcanza en aproximadamente 1,1 eV, en el infrarrojo cercano, que pasa a estar muy cerca de la banda prohibida natural en silicio y un número de otros semiconductores útiles.

Cruce de múltiples células

Las células de múltiples materiales tienen múltiples bandgaps. Así responderá a varias longitudes de onda de luz y de la energía que de otro modo se perderían a la relajación como se describe anteriormente, puede ser capturado y convertido.

Por ejemplo, si uno tenía una celda con dos bandgaps en él, uno sintonizado con luz roja y otra verde, entonces la energía extra en luz verde, cian y azul se perdería sólo a la banda prohibida del material sensible al verde, mientras que la energía del rojo, amarillo y naranja se perderían sólo a la banda prohibida del material sensible al rojo. Tras análisis similares a los realizados para single-bandgap dispositivos, se puede demostrar que el bandgaps perfectos para un dispositivo de dos-gap están en el eV 1,1 y 1,8 eV.

Convenientemente, la luz de una determinada longitud de onda no interactúa fuertemente con los materiales que no sean un múltiplo de la longitud de onda. Esto significa que usted puede hacer una célula multiunión acodar la diversos materiales uno encima del otro, las longitudes de onda más cortos en el "top" y aumentando a través del cuerpo de la célula. Como los fotones tienen que pasar a través de la célula para alcanzar la capa adecuada para ser absorbido, conductores transparentes deben usarse para recoger los electrones generados en cada capa.

Figura C. (a) la estructura de una célula solar MJ. Hay seis tipos de capas importantes: uniones pn, nuevo campo de superficie (BSF) capas, capas de ventana, ensambladuras del túnel, revestimiento antirreflectante y contactos metálicos. (b) gráfica de irradiancia espectral E vs longitud de onda λ sobre el AM1.5 espectro solar, junto con la eficiencia de conversión de electricidad máxima para cada cruce en función de la longitud de onda.

Producir una célula tándem no es tarea fácil, en gran parte debido a la delgadez de los materiales y las dificultades de extraer la corriente entre las capas. La solución fácil es usar dos mecánicamente separada células solares de película fina y entonces les juntos por separado fuera de la célula. Esta técnica es ampliamente utilizada por silicio amorfo células solares, Uni-Solarproductos uso tres dichas capas para alcanzar eficiencias alrededor de 9%. Ejemplos de laboratorio usando materiales de película fina más exóticos han demostrado eficiencia de más del 30%.

La solución más difícil es la célula "monolítico integrada", donde la célula se compone de varias capas mecánicamente y eléctricamente conectados. Estas células son mucho más difíciles de producir porque las características eléctricas de cada capa tiene que ser cuidadosamente emparejados. En particular, el photocurrent generado en cada capa debe ser igualado, de lo contrario serán absorbidos electrones entre capas. Esto limita su construcción a ciertos materiales, mejores conocido por los semiconductores III-V.

Opción material

La elección de los materiales para cada celda sub es determinada por los requisitos de propiedades optoelectrónicas coincidente del enrejado, coincidencia de corriente y alto rendimiento.

Para un crecimiento óptimo y calidad cristalina resultante, la constante de enrejado cristalino a de cada material debe ser muy igualado, resultando en dispositivos del enrejado-emparejado. Esta restricción ha sido relajado un poco en recientemente desarrollado células solares metamórficas que contienen un pequeño grado de desajuste del enrejado. Sin embargo, un mayor grado de desajuste u otras imperfecciones de crecimiento puede causar defectos cristalinos provocando una degradación en las propiedades electrónicas.

Puesto que cada célula sub está conectada eléctricamente en serie, la misma corriente fluye a través de cada cruce. Los materiales se ordenan con disminución bandgapsE_g, permitiendo (luz) sub-bandgapHC/λ < e·E_g) para transmitir a las células secundario inferiores. Por lo tanto, deben ser elegidos bandgaps conveniente tal que el espectro de diseño equilibrará la generación actual en cada una de las células secundarias, logro emparejar actual. Figura C(b) parcelas irradiancia espectral E(Λ), que es la fuente de energía densidad en un determinado longitud de onda Λ. se traza junto con la eficiencia máxima conversión para cada cruce en función de la longitud de onda, que está directamente relacionado con el número de fotones disponibles para su transformación en photocurrent.

Finalmente, las capas deben ser eléctricamente óptimas para un alto rendimiento. Esto requiere el uso de materiales con coeficientes de absorción fuerte α(λ), alta minoría portador vidas τ_minoríay movilidades alta µ.

Los valores favorables en la siguiente tabla justifican la elección de los materiales utilizados normalmente para las células solares múltiples conexiones: InGaP para la celda secundario superior (E_g = 1,8-1,9 eV), InGaAs para la media célula sub (E_g = 1,4 eV), y Germanio para la célula secundario inferior (E_g = 0,67 eV). El uso de Ge es principalmente debido a su constante del enrejado, robustez, bajo costo, abundancia y facilidad de producción.

Debido a las diferentes capas son muy igualados de enrejado, la fabricación del dispositivo normalmente emplea deposición de vapor químico metal-orgánicos (MOCVD). Esta técnica es preferible a la epitaxia molecular (MBE) porque asegura alto cristal calidad y producción a gran escala.

Material	Eg, eV	a, nm	absorción (Λ = 0.8 μm), 1/µm	µn, cm²/(V·s)	τp, µs	Dureza (Mohs)	Α, µm/K	S, m/s
c-Si	1.12	0.5431	0.102	1400	1	7	2.6	0.1 – 60
InGaP	1.86	0.5451	2	500	–	5	5.3	50
GaAs	1.4	0.5653	0.9	8500	3	4 – 5	6	50
Ge	0.65	0.5657	3	3900	1000	6	7	1000
InGaAs	1.2	0.5868	30	1200	–	–	5,66	100 – 1000

Elementos estructurales

Contactos metálicos

Los contactos metálicos son baja resistividad electrodos que hacer contacto con las capas de semiconductor. A menudo son aluminio. Esto proporciona una conexión eléctrica a una carga o a otras partes de una matriz de células solares. Son generalmente en dos lados de la célula. Y son importantes en la cara posterior para que sombrea en la superficie de iluminación se reduce.

Revestimiento antirreflectante

Antirreflectante Revestimiento (AR) generalmente se compone de varias capas en el caso de las células solares MJ. La capa superior de AR tiene generalmente un NaOH superficie texturisación con varios pirámides con el fin de aumentar el coeficiente de transmisión T, la captura de la luz en el material (porque los fotones no pueden salir fácilmente la estructura MJ debido a las pirámides) y por lo tanto, la longitud del camino de fotones en el material. Por un lado, el espesor de cada capa de AR es elegido por interferencias destructivas. Por lo tanto, el coeficiente de reflexión R disminuye al 1%. En el caso de dos capas de AR L₁ (la capa superior, generalmente Rin
2) y L₂ (generalmente TiO
2), debe haber $n_{L2} = n_{AlInP}^{1/2} \cdot n_{L1}$ tener las mismas amplitudes para campos reflejadas y n_L1d_L1 = 4Λ_min,n_L2d_L2 = Λ_min/ 4 tener enfrente de fase para campos reflejados. Por otro lado, el espesor de cada capa de AR es elegido también para minimizar la reflectividad en longitudes de onda para la cual el photocurrent es el más bajo. En consecuencia, esto maximiza J_SC por corrientes coincidentes de los tres subcells. Como ejemplo, porque la corriente generada por la célula inferior es mayor que las corrientes generadas por las otras células, el espesor de las capas de AR se ajusta para que la transmisión por infrarrojos (IR) (que corresponde a la celda inferior) se degrada mientras que el ULTRAVIOLETA transmisión (que corresponde a la celda superior) se actualiza. En particular, es muy importante en longitudes de onda bajos una capa de AR porque, sin ella, T podría reducirse fuertemente al 70%.

Uniones túnel

Figura D: capas y Diagrama de banda de la ensambladura del túnel. Debido a la longitud de la región de agotamiento es estrecha y el boquete de la venda es alto, pueden túnel de electrones.

El objetivo principal de uniones túnel es proporcionar una baja resistencia eléctrica y ópticamente baja pérdida conexión entre dos subcells. Sin ella, la región p-dopado de la celda superior sería directamente conectada con la región de la célula media n-dopado. Por lo tanto, una ensambladura del pn en sentido inverso a los demás al parecer entre la celda superior y la media de la célula. En consecuencia, la photovoltage sería inferior si no habría no parasitarios diodo. Para disminuir este efecto, se utiliza un cruce de túnel. Es simplemente una banda ancha brecha, diodo altamente dopado. El dopaje alta reduce la longitud de la región de agotamiento debido a

$l_{depl} = \sqrt{\frac{2 \epsilon (\phi_0 - V)}{q} \frac{N_A+N_D}{N_A N_D}}$

Por lo tanto, los electrones pueden fácilmente túnel a través de la región de agotamiento. La característica de J-V de la ensambladura del túnel es muy importante porque explica por qué uniones túnel pueden usarse para tener una conexión de baja resistencia eléctrica entre dos uniones pn. Figura D muestra tres diferentes regiones: la región de túnel, la región negativo resistencia diferenciada y la región de difusión termal. La región donde los electrones pueden túnel a través de la barrera se llama la región túnel. Allí, la tensión debe ser lo suficientemente baja para que la energía de algunos electrones que están cavando equivale a Estados de energía disponible en el otro lado de la barrera. En consecuencia, la densidad de corriente a través del cruce de túnel es alta (con el valor máximo de $J_P$la densidad de corriente de pico) y la pista de cerca el origen por lo tanto es empinada. Entonces, la resistencia es muy baja y, por consiguiente, la voltaje también. Por esta razón las ensambladuras del túnel son ideales para conectar dos uniones pn sin tener una caída de tensión. Cuando el voltaje es mayor, los electrones no pueden cruzar la barrera porque Estados de energía ya no están disponibles para los electrones. Por lo tanto, disminuye la densidad de corriente y la resistencia diferencial es negativa. La última región, denominada región de difusión termal, corresponde a la característica J-V habitual del diodo:

$J = J_S \left(\exp\left(\frac{qV}{kT}\right) - 1\right)$

Para evitar la reducción de los funcionamientos de la célula solar MJ, uniones túnel debe ser transparente a las longitudes de onda absorbida por la próxima célula fotovoltaica, la célula intermedia, es decir, E_gTunnel > E_{gMiddleCell}.

Campo de capa y detrás-superficie de ventana

Figura E: (a) capas y Diagrama de banda de una capa de la ventana. La recombinación superficial se reduce. (b) las capas y el diagrama de banda de una capa BSF. Se reduce la dispersión de los portadores.

Una capa de ventana se utiliza para reducir la velocidad de recombinación superficial S. Del mismo modo, una capa detrás-superficie terreno (BSF) reduce la dispersión de los portadores hacia el cruce de túnel. La estructura de estas dos capas es el mismo: es un heterounión que atrapa electrones (agujeros). De hecho, a pesar de la campo eléctrico E_d, éstos no pueden saltar por encima de la barrera formada por los heterounión porque no tienen suficiente energía, tal como se ilustra en la figura E. por lo tanto, los electrones (hoyos) no se recombinan con agujeros (electrones) y no se pueden difundir a través de la barrera. Por cierto, ventana y BSF capas deben ser transparentes a las longitudes de onda absorbidas por la próxima unión pn es decir E_gWindow > E_gEmitter y E_gBSF > E_gEmitter. Además, la constante del enrejado debe estar cerca de InGaP y la capa debe ser altamente dopado)n ≥ 10¹⁸ cm⁻³).

Característica de J-V

Para máxima eficiencia, cada subcell debe ser operado en sus parámetros óptimos de J-V, que no son necesariamente iguales para cada subcell. Si son diferentes, la corriente a través de la célula solar total es el más bajo de los tres. Por aproximación, resulta en la misma relación de la intensidad de cortocircuito de la célula solar MJ: J_SC = min (J_{POLIMERIZACIÓN EN CADENA}J_SC2J_SC3) donde J_SCi(Λ) es la densidad de corriente en una determinada longitud de onda λ para el subcell de cortocircuito i.

Debido a la imposibilidad de obtener J_SC1J_SC2J_SC3 directamente en la característica J-V total, la eficiencia cuántica QE(Λ) se utiliza. Mide la relación entre la cantidad de pares electrón-hueco creados y los fotones incidentes en un determinada longitud de onda λ. Que φ_i(Λ) es el flujo de fotones de la luz del incidente correspondiente en subcell iyQE_i(Λ) es la eficiencia cuántica de la subcell i. Por definición, esto equivale a:

$QE_i(\lambda) = \frac{J_{SCi}(\lambda)}{q \phi_i(\lambda)} \Rightarrow J_{SCi} = \int_{0}^{\lambda2} q \phi_i(\lambda) QE_i(\lambda) \, d \lambda$

El valor de $QE_i(\lambda)$ se obtiene por vincularlo con el coeficiente de absorción $\alpha(\lambda)$, es decir, el número de fotones absorbidos por unidad de longitud de un material. Si se asume que cada fotón absorbido por un subcell crea un par de electrones/agujero (que es una buena aproximación), esto conduce a:

$QE_i(\lambda) = 1 - e^{-\alpha(\lambda) d_i}$ donde d_i es el espesor de la subcell i y $e^{-\alpha(\lambda) d_i}$ es el porcentaje de luz incidente que no es absorbido por el subcell i.

Del mismo modo, porque

$V = \sum_{i=1}^3 V_i$, puede utilizarse la siguiente aproximación: $V_{OC} = \sum_{i=1}^3 V_{OCi}$.

Los valores de $V_{OCi}$ luego está dada por la ecuación de diodo J-V:

$J_i = J_{0i} \left(e^{\frac{qV_i}{kT}}-1\right)-J_{SCi} \Rightarrow V_{OCi} \approx \frac{kT}{q} \ln(\frac{J_{SCi}}{J_{0i}})$

Materiales

La mayoría de las células de múltiples conexiones que se han producido hasta la fecha utiliza tres capas. Estas células requieren el uso de semiconductores que pueden estar sintonizados en frecuencias específicas, que ha llevado a la mayoría de ellos de Arseniuro de galio Compuestos (GaAs), a menudo germanio para el fondo, GaAs por medio y GaInP₂ para la parte superior-célula.

Sustrato de Arseniuro de galio

Las células de doble cruce pueden hacerse en obleas de Arseniuro de galio. Aleaciones de Fosfuro de galio indio en la gama en_.5Ga_.5P a través de_.53Ga_.47P sirve como la aleación de la brecha de banda alta. Esta gama de aleación prevé la posibilidad de tener lagunas de banda en el rango de eV 1,92 a 1,87 eV. La parte inferior GaAs cruce tiene una banda prohibida de 1,42 eV.

Sustrato de germanio

Células de triple cruce consiste en Fosfuro de galio indio, Arseniuro de galio o Arseniuro de indio y Germanio pueden fabricarse en obleas de germanio. Primeras células utilizan arseniuro de galio directamente en medio del cruce. Las células más adelante han utilizado en_0.015Ga_0.985Como, debido al enrejado de la mejor coincidencia con Ge, resultando en una menor densidad del defecto.

Debido a la diferencia de banda enorme brecha entre el GaAs (1,42 eV) y Ge (0,66 eV), el partido actual es muy pobre, con el Ge cruce operado corriente considerablemente limitada.

Eficiencias actuales para las células de InGaP/GaAs/Ge comerciales acercan 40% bajo la luz solar concentrada ^,. Las células de laboratorio (en parte mediante uniones adicionales entre el cruce de GaAs y Ge) han demostrado eficacia superior al 40%.

Sustrato de fosfuro de indio

Fosfuro de indio puede utilizarse como substrato para fabricar células con banda brechas 1,35 eV y 0.74 eV. Fosfuro de indio tiene un boquete de la venda de 1,35 eV. Arseniuro de indio(En_0,53Ga_0.47Como) es enrejado coincide con fosfuro de indio con un boquete de la venda de 0.74 eV. Una aleación cuaternaria de fosfuro arseniuro de indio puede ser enrejado emparejado para cualquier banda prohibida entre los dos.

Las células de base de fosfuro de indio tienen el potencial para trabajar conjuntamente con las células de Arseniuro de galio. Pueden conectarse ópticamente las dos células en serie (con la célula del InP por debajo de la celda de GaAs), o en paralelo mediante el uso de espectros de división usando un Filtro dicroico.

Mejoras en el rendimiento

Estructura

Todo uso de las células fotovoltaicas MJ Semiconductores III-V materiales. Diodos túnel heterounión basadas en GaAsSb, en vez de diodos túnel de InGaP altamente dopado convencionales descritos anteriormente, tienen una distancia de túnel inferior. De hecho, en la heteroestructura formado por GaAsSb y InGaAs, la banda de Valencia de GaAsSb es mayor que la banda de Valencia de la capa contigua p-dopado. En consecuencia, la distancia de túnel d_túnel es reducida y la corriente de efecto túnel, depende exponencialmente de d_túnel, se incrementa. Por lo tanto, el voltaje es menor que en el cruce de túnel InGaP. GaAsSb heterounión diodos túnel ofrecen otras ventajas. La misma corriente puede lograrse mediante el uso de un doping inferior. En segundo lugar, porque la constante del enrejado es mayor para GaAsSb de Ge, se puede utilizar una amplia gama de materiales para la célula inferior porque más materiales enrejado-se adaptan a GaAsSb que a Ge.

Componentes químicos pueden agregarse a algunas capas. Agregar 1% Indio en cada capa mejores partidos enrejan constantes de las distintas capas. Sin él, hay unos 0.08 por ciento de unir mal entre capas, que inhibe la actuación. Adición de aluminio a la celda superior aumenta su banda prohibida a 1,96 eV, cubriendo una parte más grande del espectro solar y obtener una mayor tensión de circuito abierto V_OC.

La eficacia teórica de las células solares MJ es 86.8% para un número infinito de uniones pn, lo que implica que las ensambladuras más aumentan la eficiencia. La eficacia teórica máxima es 37, 50, 56, 72% para 1, 2, 3, 36 uniones pn, respectivamente, con el número de uniones aumentan exponencialmente para lograr incrementos de eficiencia igual. La relación exponencial implica que mientras la célula acerca al límite de la eficiencia, el aumento de costos y la complejidad crecen rápidamente. Disminuye el grosor de la celda superior aumenta el coeficiente de transmisión T.

Finalmente, puede añadirse una InGaP hetero-capa entre la capa p-Ge y la de InGaAs para crear automáticamente la capa n-Ge de dispersión durante el crecimiento MOCVD y aumentar significativamente la eficiencia cuántica QE(Λ) de la celda inferior. InGaP es ventajosa debido a su coeficiente de dispersión alta y baja solubilidad en Ge.

Variaciones espectrales

Espectro solar en la superficie de la tierra cambia constantemente dependiendo de la posición del sol y el clima. Esto da como resultado la variación de φ(λ), QE(Λ), α(λ) y así las corrientes J_SCi. Como resultado, las densidades de corriente J_i No necesariamente se corresponden y se convierte en la corriente total inferior. Estas variaciones se pueden cuantificar utilizando la energía del fotón promedio (APE) que representa la relación entre la irradiancia espectral G(λ) (la densidad de energía de la fuente de luz en una determinada longitud de onda λ) y la densidad de flujo de fotones total. Puede ser demostrado que un valor alto (bajo) para mono significa condiciones espectral bajo longitudes de onda (alta) y una mayor eficiencia (inferior). Así APE es un buen indicador para cuantificar los efectos de las variaciones del espectro solar sobre actuaciones y tiene la ventaja de ser independiente de la estructura del dispositivo y el perfil de absorción del dispositivo.

Uso de concentradores de luz

Concentradores de luz incrementar la eficiencia y reducen la relación coste/eficacia. Los tres tipos de luz concentradores en uso son lentes refractivas como Lentes de Fresnel, platos reflexivos (parabólico o cassegraine), y Guía de luz óptica. Gracias a estos dispositivos, llegando en una superficie grande de la luz puede concentrarse en una célula más pequeña. El cociente de concentración de intensidad (o "soles") son la intensidad media de la luz enfocada dividida por 0,1 W/cm². Si su valor es X Entonces se convierte en la actual MJ X superior bajo iluminación concentrada.

Usando las concentraciones del orden de 500 a 1000, lo que significa que una célula 1 cm² puede utilizar la luz recogida de 0,1 m² (igual 1 m² 10000 cm²), produce las eficiencias más altas vistas hasta la fecha. Tres capas de células se limitan fundamentalmente a 63%, pero prototipos comerciales existentes ya han demostrado sobre el 40%. Estas células capturan aproximadamente 2/3 de su rendimiento máximo teórico, suponiendo que el mismo es válido para una versión no concentrados del mismo diseño, se podría esperar una celda de tres capas de 30% de eficiencia. Esto no es suficiente una ventaja sobre los diseños tradicionales de silicio para compensar sus costos de producción adicionales. Por esta razón, casi todas las investigaciones múltiples conexiones celulares para uso terrestre está dedicada a sistemas de concentrador, normalmente utilizando espejos o lentes de fresnel.

Utilizando un concentrador también tiene el beneficio añadido que se reduce el número de células necesarias para cubrir una cantidad determinada de la superficie. Un sistema convencional de 1 m² requeriría 625 cm² 16 células, pero para un sistema concentrador es necesario solamente una sola celda, junto con un concentrador. El argumento para concentrado cruce múltiples células ha sido que el alto costo de las propias células podría ser más que compensado por la reducción en el número total de células. Sin embargo, la desventaja del enfoque de concentrador es que eficiencia cae muy rápidamente bajo condiciones bajas iluminación. Con el fin de maximizar su ventaja sobre células tradicionales y por lo tanto costo competitivo, el sistema concentrador tiene que seguir al sol como se mueve para guardar la luz se centró en la célula y mantener la máxima eficiencia posible. Esto requiere un seguidor solar sistema que aumenta rendimiento, pero también cuesta.

Fabricación

A partir de 2014 cruce múltiples células eran caras de producir, utilizando técnicas similares a fabricación de dispositivos semiconductores, generalmente epitaxy de la fase de vapor metalorganic Pero el "chip" tamaños del orden de centímetros.

Se anunció una nueva técnica de ese año que permite tales células utilizar un sustrato de vidrio o de acero, vapores de menor costo en reducción cantidades que pretendía ofrecer costos competitivos con células de silicio convencionales.

Comparación con otras tecnologías

Existen cuatro categorías principales de las células fotovoltaicas: c-Si las células solares, células solares de película finaLas células solares MJ y nuevas tecnologías (incluyendo las células solares orgánicas).

Tecnología	η (%)	VOC (V)	ISC (A)	W/m²	t (µm)
u c-Si	24,7	0.5	0.8	63	100
p c-Si	20.3	0.615	8.35	211	200
A-si	11.1	6.3	0.0089	33	1
CdTe	16.5	0.86	0.029	–	5
CIGS	19.5	–	–	–	1
MJ	40,7	2.6	1.81	476	140

Las células solares MJ y otros dispositivos fotovoltaicos tienen diferencias significativas (ver la tabla anterior). Físicamente, la principal característica de una célula solar MJ es tener más de una unión pn para atrapar a un mayor espectro de energía del fotón mientras que la característica principal de la células solares de película fina es utilizar películas delgadas en vez de capas gruesas para disminuir el ratio de eficiencia de costos. A partir de 2010, los paneles solares MJ son más caros que otros. Estas diferencias implican diferentes aplicaciones: células solares MJ son las preferidas en espacio y c-Si las células solares para aplicaciones terrestrian.

La eficiencia de células solares y tecnología solar Si es relativamente estable, mientras que la eficiencia de los módulos solares y tecnología de múltiples conexiones están progresando.

Las mediciones en células solares MJ generalmente se realizan en laboratorio, usando luz concentradores (esto a menudo no es el caso de las otras células) y bajo el estándar de prueba de condiciones (STCs). STCs prescribir, para aplicaciones terrestres, el espectro AM1.5 como referencia. Esta masa de aire (AM) corresponde a una posición fija del sol en el cielo de 48° y una potencia fija de 833 W/m². Por lo tanto, las variaciones espectrales de incidentes luz parámetros ambientales no se toman en cuenta bajo STC.

En consecuencia, rendimiento de células solares MJ en ambiente terrestre es inferior a la alcanzada en laboratorio. Además, las células solares MJ están diseñadas tal que las corrientes coinciden bajo STC, pero no necesariamente en condiciones de campo. Uno puede utilizar QE(Λ) para comparar rendimientos de diferentes tecnologías, pero QE(Λ) no contiene información sobre la adecuación de las corrientes del subcells. Un punto importante de comparación es más bien la potencia por unidad de superficie generada con la misma luz incidente.

Aplicaciones

A partir de 2010, el costo de las células solares MJ era demasiado alto para permitir el uso de aplicaciones especializadas. El alto costo es debido principalmente a la estructura compleja y el alto precio de los materiales. Sin embargo, con los concentradores de luz bajo iluminación de al menos 400 soles, Paneles solares MJ ser práctico.

Las células MJ están siendo utilizadas actualmente en las misiones de Marte rover.

El ambiente en el espacio es muy diferente. Porque no hay ninguna atmósfera, el espectro solar es diferente (AM0). Las células tienen un pobre partido actual debido a un mayor flujo de fotones de fotones por encima de 1,87 eV vs entre 1,87 eV y 1,42 eV. Esto resulta en muy poco corriente en el cruce de GaAs y obstaculiza la eficiencia global desde el cruce de InGaP opera debajo de MPP actual y el cruce de GaAs opera sobre MPP actual. Para mejorar el actual partido, la capa de InGaP intencionalmente se adelgaza para permitir que los fotones adicionales penetrar en la capa más baja de GaAs.

En terrestre concentrando las aplicaciones, la dispersión de la luz azul de la atmósfera reduce el flujo de fotones por encima de 1,87 eV, mejor equilibrio de las corrientes de salida.Las partículas de radiación que se filtran ya no pueden dañar la célula. Existen dos tipos de daño: ionización y los desplazamientos atómicos. Aún así, las células MJ ofrecen mayor resistencia a la radiación, mayor eficiencia y un menor coeficiente de temperatura.

Lectura adicional

• Luque, Antonio; Hegedus, eds., (2003). Manual de ingeniería y ciencia fotovoltaica. John Wiley & Sons. ISBN0-471-49196-9.

• Yarris, Lynn (07 de noviembre de 2011). "Funcionamiento de la célula Solar sin precedentes las chispas de investigación del laboratorio de Berkeley". Centro de noticias (Lawrence Berkeley National Laboratory). 10 de diciembre de 2011. "Investigación teórica por los científicos con los Estados Unidos Departamento de energía (DOE) de Lawrence Berkeley National Laboratory (laboratorio de Berkeley) ha llevado a las eficiencias de conversión de luz solar en electricidad sin precedentes en las células solares". (reimpreso en R & D Magazine)

Véase también

• Lista de materiales semiconductores
• Célula fotovoltaica orgánica
• Diodo PIN

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