Primer intento de construir células fotovoltaicas III-V micrométricas de contacto posterior

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Investigadores de la Universidad de Sherbrooke (Canadá) han fabricado células solares III-V de triple unión y contacto posterior miniaturizadas que presentan un bajo factor de sombra y un elevado aprovechamiento de la superficie de la oblea.

“Hemos desarrollado células de triple unión con un tamaño que duplica el grosor de un mechón de pelo”, explica a pv magazine Matthieu De Lafontaine, autor correspondiente de la investigación. “Las células presentan ventajas significativas sobre las tecnologías solares convencionales, ya que reducen el ensombrecimiento inducido por electrodos en un 95% y pueden llegar a triplicar los costos de producción de energía”.

Según De Lafontaine, esas propiedades se prestan a diversas aplicaciones, desde la densificación de dispositivos electrónicos a ámbitos como las células solares, los dispositivos electrónicos portátiles y las baterías nucleares ligeras para la exploración espacial, así como la miniaturización de dispositivos para las telecomunicaciones y el internet de las cosas.

Los científicos construyeron las células de tres uniones con interconexiones tridimensionales (3D) basadas en vías a través del sustrato (TSV), que se utilizan habitualmente para crear circuitos integrados 3D en sistemas microelectromecánicos. Consisten en conexiones eléctricas verticales que atraviesan completamente una oblea de silicio.

“En el caso de la energía fotovoltaica, las interconexiones 3D pueden aumentar la eficiencia de conversión y reducir el sombreado”, explicaron. “El uso de TSV para transferir el contacto de la cara frontal a la posterior a través del dispositivo podría mitigar el sombreado, la contribución de la corriente oscura y las pérdidas resistivas”.

El grupo aplicó este nuevo concepto a las células solares III-V de triple unión, conocidas por su gran rendimiento y eficiencia, pero también por el sombreado y las pérdidas resistivas. “Sin embargo, el proceso de referencia no depende de una heteroestructura específica, lo que significa que podría aplicarse a células solares de cuatro o más uniones”, afirmaron.

Además, el costo de producción de las células fabricadas con materiales III-V las ha confinado a nichos de aplicación, como drones y satélites, donde el bajo peso y la alta eficiencia son preocupaciones más acuciantes que el costo.

La célula se basa en una celda superior de indio, galio y fósforo (InGaP), un dispositivo intermedio de indio, galio y arseniuro (InGaAs) y una celda inferior de germanio (Ge). Los científicos utilizaron la unión de obleas para manipular películas III-V de 20 μm de grosor. Gracias a las interconexiones tridimensionales lograron reducir considerablemente la superficie metalizada de la cara frontal de toda la célula solar.

Probada en condiciones de iluminación estándar, la célula alcanzó una eficiencia de conversión de potencia del 18,3%, una tensión de circuito abierto de 2,276 V, una densidad de corriente de cortocircuito de 8,61 mA/cm2 y un factor de llenado del 82,1%.

También se comprobó que el novedoso diseño de la célula lograba un pequeño factor de sombreado inferior al 3% y multiplicaba por 6 el uso de la superficie de la oblea, en comparación con las células basadas en interconexiones 2D. “Los resultados de la simulación han demostrado que los TSV podrían reducir la resistencia en serie en un 70% en comparación con los contactos estándar de las células solares de triple unión”, afirma el grupo.

El equipo está formado por académicos de la Universidad canadiense de Ottawa y la Universidad Grenoble Alpes CNRS de Francia. Presentaron el dispositivo en el artículo “3D interconnects for III-V semiconductor heterostructures for miniaturized power devices” (Interconexiones 3D para heteroestructuras de semiconductores III-V para dispositivos de potencia miniaturizados), publicado en Cell Reports Physical Science.

“El desarrollo de estas primeras células fotovoltaicas micrométricas de contacto posterior es un paso crucial en la miniaturización de los dispositivos electrónicos”, concluyen.

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