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16 de septiembre de 2014

Actividad del Grupo

En una célula solar convencional, el valor de la banda prohibida determina la corriente y el voltaje. Valores altos producen bajas corrientes (hay pocos fotones absorbidos) y altos voltajes y viceversa. Hay un óptimo que teóricamente está (para iluminación solar isotrópica) hacia la banda prohibida del silicio.

En 1997 se propuso por miembros del Equipo1 la conveniencia de formar una banda intermedia (IB) permitida en medio de la banda prohibida del semiconductor. Según un procedimiento patentado por miembros del equipo, la célula solar se completa colocando el material de banda intermedia entre dos semiconductores ordinarios uno tipo n para contacto con la banda de conducción (CB) y otro tipo p para contacto con la banda de valencia (VB). La banda intermedia queda así aislada de los contactos metálicos.



Fig. 1 Representación simplificada del diagrama de bandas de un material de banda intermedia.


Fig. 2. Implementación práctica de un material y célula de banda intermedia mediante la utilización de puntos cuánticos.

En esta célula, además del procedimiento ordinario de bombeo de electrones de la VB a la CB mediante un fotón de suficiente energía, debemos considerar el bombeo en dos etapas, una de la VB a la IB y con un fotón de menor energía, seguido del bombeo desde la IB a la CB mediante otro fotón de menor energía (Fig 1). La eficiencia de conversión máxima fotovoltaica se sitúa en el 63.2 % a comparar con el límite del 40.7 % que poseen las células de un solo gap o el 55.4 % de las multiunión de dos células. Naturalmente, el valor óptimo de la banda prohibida no es el del silicio (1.1 e.V.), sino que se sitúa en 1.95 e.V. con la sub-bandas prohibidas de 0.7 y 1.2 e.V. aproximadamente.

Ciertamente, la indiscutible conveniencia de esta célula se ve enturbiada por la sospecha de que no sea posible conseguir materiales de banda intermedia, como algunos investigadores prestigiosos han pronosticado alguna vez. La respuesta aquí y hoy es, sin embargo, que los materiales de banda intermedia existen y pueden conseguirse de varias maneras.

La implementación práctica de la célula solar de banda intermedia mediante tecnologías de puntos cuánticos (ver Figura 2) ha sido ya estudiada, teórica y experimentalmente, por nuestros investigadores2,3. Con esta aproximación, la banda intermedia surge a partir de los niveles energéticos de los electrones confinados en los puntos. Se han fabricado ya células solares de puntos cuánticos de banda intermedia con rendimientos de hasta el 9%. Sin embargo el potencial es, como hemos dicho, muy alto y los bajos rendimientos obtenidos se deben principalmente a la baja absorción de la banda intermedia debida a la baja densidad de centros de absorción (menos de 1017 cm-3) del sistema de puntos cuánticos. En realidad las células realizadas deben considerase como estructuras de prueba para investigación, y no, todavía, dispositivos de interés práctico.



Fig 3. Eficiencia cuántica normalizada para una célula solar de GaAs (R) y dos (A y B) del mismo material con puntos cuánticos de InAs crecidos por la técnica Stransky Krastanov. Se observa la fotogeneración por debajo de la banda prohibida.


Fig.4. Espectro de electro-luminiscencia de las células solares de la Figura 3. La electroluminiscencia es mayor de lo esperado debido a la separación de potenciales electroquímicos μCI marcada en el diagrama de bandas de la Figura 3.

Desde este punto de vista de la investigación, se ha puesto de manifiesto experimentalmente la producción de fotocorriente a consecuencia de la absorción de fotones que provocan transiciones desde la VB a la IB4. Están aún inéditos resultados muy recientes usando FTIR que demuestran la absorción entre IB y la CB.

Por otra parte la producción de elevados voltajes depende de la aparición de tres potenciales electroquímicos (o quasiniveles de Fermi) diferentes, uno para la banda de valencia, otro para la de conducción y el tercero para la banda intermedia. Recientemente hemos demostrado la citada separación5 en un artículo que ha merecido su publicación también en red en el Virtual Journal of Nanoscale Science & Technology, August 29, 2005.

La importancia de todos estos resultado no ha pasado desapercibida a investigadores en EE.UU6,7,8, Japón9 y Australia10 donde, a raíz de nuestra propuesta en 1997 —con más de 130 citas según el Science Citation Index— y trabajos subsiguientes, se han ido perfilando líneas de investigación en la línea de la célula solar de banda intermedia. Es pues, otro interés estratégico que nuestros investigadores, aunando las fuerzas que agrupa el presente consorcio, puedan mantener esta situación de liderazgo.

Por otro lado, es bien conocido que muchas impurezas producen niveles profundos en los semiconductores, cerca del centro de la banda prohibida. Cálculos cuánticos reproducen esta situación para muchas impurezas11 con concentraciones no muy elevadas. Cuando las concentraciones de las impurezas se elevan la IB tiende a invadir la CB o la VB. Una excepción importante es el Ti en una matriz de AsGa o de PGa12 que mantiene la banda intermedia separada más fácilmente debido a su interesante configuración s2d2. Sin embargo por razones termodinámicas es dudoso que el Ti pueda incorporarse adecuadamente a las matrices señaladas en las concentraciones deseadas13.

Obviamente, mientras mayor sea la concentración de impurezas mayor será la absorción obtenida, lo que es una característica muy deseada.

Estos niveles son conocidos centros de recombinación no radiactiva (Recombinación SRH) pero en ciertas circunstancias hemos predicho teóricamente —según un trabajo aún inédito ya pero registrado como patente14— que esta recombinación desaparecería si se superara una concentración que produjera la transición de Mott de funciones de onda de las impurezas localizadas en ellas a funciones distribuidas por todo el semiconductor—lo que ocurre a concentraciones de alrededor de 6×1019 cm-3

El éxito en las investigaciones sobre materiales de banda intermedia constituiría un logro científico de primera magnitud con una influencia determinante en la reducción sustancial de costes de la energía solar fotovoltaica.

 

[1]  A. Luque y A. Martí, Physical Review Letters, 78(26):5014–5017, 1997

[2]  A. Martí, L. Cuadra y A. Luque, IEEE Trans. Elec. Dev., 48(10):pp. 2394–2399 (2001).

[3]  A. Martí, L. Cuadra and A. Luque, IEEE Trans. Elec. Dev., 49(9):pp. 1632–1639 (2002)

[4]  A. Luque, A. Martí, C. Stanley, N. López, L. Cuadra, D. Zhou and A. Mc- Kee, Journal of Applied Physics, 96(1):pp. 903–909 (2004).

[5]  A. Luque, A. Martí, N. López, E. Antolín, E. Cánovas, C. Stanley, C Farmer, L.J. Caballero, L. Cuadra and J.L. Balenzategui. Appl. Phys. Lett. 87, 083505 (2005).

[6]  K. M. Yu, W. Walukiewicz, J. Wu, W. Shan, J. W. Beeman, M. A. Scarpulla, D. Dubon y P. Becla, Physical Review Letters, 91(24):pp. 24603–1 (2003).

[7]  A. G. Norman, M. C. Hanna, P. Dippo, D. H. Levi, R. C. Reedy, J. S.Ward y M. M. Al-Jassim, in “Proc. of the 31st IEEE Photovoltaics Specialists Conference”, (2005).

[8]  L Nathan et al. “Basic Research needs for solar energy utilisation” The Office of Science, Department of Energy,Washington 2005.

[9]  Y. Okada, N.Shiotsuka, H. Komiyama, K.Akahane, N.Ohtani, 20th European Photovoltaic Solar Energy Conferenceand the Exhibition, 2005.

[10]  M. A. Green, Prog. in Photov, Research and Applications, 9(2):pp. 137–144 (2001).

[11]  P. Palacios, J. J. Fernández, K. Sánchez, J. C.Conesa, and P. Wahnón, Phys. Rev. B, 73, 2006, pp. 085206.

[12]  P. Wahnón and C. Tablero, Physical Review B. Condensed Matter, 65(165115):pp. 1–10 (2002)

[13]  P. Wahnón, P. Palacios, J.J. Fernández & K. Sanchez J.C. Conesa 20th European Photovoltaic Solar Energy Conference and the Exhibition, 2005.

[14]  A Luque, A Martí, E. Antolín, C. Tablero “Método Para La Supresión de la Recombinación No-Radiativa en Materiales Dopados con Centros Profundos”. Solicitud de Patente Española P200503055, (2005).