Investigadores en Francia han desarrollado células termofotovoltaicas (TPV) de banda prohibida muy baja que incorporan una capa de barrera diseñada para suprimir la corriente oscura. La TPV, que no debe confundirse con la tecnología fotovoltaica-térmica (PVT), convierte directamente en electricidad la radiación infrarroja (IR) procedente de fuentes de calor mediante células fotovoltaicas. Entre sus posibles aplicaciones se incluyen el almacenamiento de energía térmica y la conversión en electricidad del calor de procesos industriales.

La tecnología ha atraído el interés científico durante décadas porque potencialmente puede captar una porción más amplia del espectro solar y tiene el potencial técnico de superar el límite de Shockley-Queisser de la fotovoltaica convencional. Sin embargo, las eficiencias reportadas hasta la fecha han sido demasiado bajas para alcanzar la viabilidad comercial, ya que los dispositivos TPV siguen sufriendo pérdidas ópticas y térmicas.

“Nuestro trabajo presenta la primera fabricación y caracterización de una célula TPV de banda prohibida muy baja (0,23 eV a 200 K), fabricada con un absorbedor de superred tipo II de arseniuro de indio/arseniuro antimoniuro de indio (InAs/InAsSb), que es el material que actualmente se utiliza ampliamente para fotodetectores”, dijo a pv magazine el autor de correspondencia Rodolphe Vaillon. “En otras palabras, hemos transformado un fotodetector IR en una célula TPV, capaz de operar a temperaturas más altas que las habituales para los fotodetectores IR”.

Vaillon añadió que los materiales y las estructuras utilizados en fotodetectores IR, como las estructuras de barrera de superred tipo II InAs/InAsSb, parecen ser buenos candidatos para la conversión de energía TPV. “Mostramos que la estructura de barrera funciona mejor que la estructura estándar p-intrínseca-n (PIN) a temperaturas de operación superiores a 150 K. Incluso se observa un efecto fotovoltaico a temperatura ambiente”, afirmó.

Las células TPV de banda prohibida muy baja son adecuadas para convertir radiación infrarroja de menor energía, lo que las hace potencialmente útiles para fuentes de calor de menor temperatura, al tiempo que ayudan a maximizar la generación de energía. Sin embargo, su principal inconveniente es la elevada corriente oscura —corriente eléctrica no deseada que circula a través de una célula incluso en ausencia de radiación incidente—, que reduce el voltaje y la potencia de salida.

La elevada corriente oscura suele obligar a las células de banda prohibida muy baja a operar a temperaturas criogénicas, como alrededor de 77 K (−196 °C). Para reducir este requerimiento de refrigeración, los investigadores introdujeron una capa de barrera de arseniuro antimoniuro de aluminio (AlAsSb). La barrera crea un desplazamiento de bandas que restringe el flujo no deseado de portadores a través del dispositivo y suprime las fugas de corriente superficial, reduciendo así la corriente oscura y permitiendo que la célula mantenga un mejor rendimiento a temperaturas de operación más altas.

Los investigadores fabricaron dos diseños de células TPV de superred tipo II InAs/InAsSb: una estructura PIN convencional utilizada como referencia y una estructura de barrera que incorpora una capa de AlAsSb de 200 nm. Procesaron las obleas para obtener tanto pequeñas células mesa “micro” como células “macro” de 1 × 1 cm² mediante metalización y grabado húmedo. Las microcélulas también fueron sometidas a pasivación de las paredes laterales y recibieron recubrimientos dieléctricos.

Los investigadores caracterizaron las capas crecidas mediante difracción de rayos X de alta resolución, microscopía de fuerza atómica y mediciones de fotoluminiscencia, mientras que los dispositivos terminados fueron sometidos a pruebas de corriente-voltaje y corriente oscura dependientes de la temperatura. Posteriormente midieron el rendimiento fotovoltaico bajo radiación infrarroja procedente de un emisor térmico a 800 °C situado a 14 cm de las células.

“Una vez procesadas, las células expuestas a un emisor a 800 °C mostraron un rendimiento más de diez veces superior en comparación con las PIN estándar (para temperaturas superiores a 150 K)”, señalaron los investigadores. “También se comprobó que la capa de barrera, específica de este diseño de célula, contribuye en gran medida a suprimir las fugas de corriente superficial cuando se combina con una etapa de pasivación (sulfuración)”.

A una temperatura de célula de 123 K (−150 °C), las células de barrera registraron voltajes de circuito abierto de alrededor de 23 mV y factores de llenado de aproximadamente 0,2, aunque una medición produjo un voltaje de circuito abierto de 0,15 V. Los investigadores también demostraron que una microcélula de barrera pasivada continuó mostrando un efecto fotovoltaico a 273 K (alrededor de 0 °C), con un voltaje de circuito abierto de aproximadamente 75 mV.

“El proceso de fabricación es robusto, pero todavía podrían esperarse mejoras trabajando en la configuración de caracterización (especialmente en el factor de vista) o aumentando la banda prohibida del absorbedor para analizar cómo afecta a la corriente oscura”, concluyeron los investigadores.

Los resultados se presentaron en “Fabrication and characterization of very-low bandgap InAs/InAsSb thermophotovoltaic cells” (Fabricación y caracterización de células termofotovoltaicas InAs/InAsSb de banda prohibida muy baja), publicado en Solar Energy Materials and Solar Cells. Investigadores del Centro Nacional de Investigación Científica de Francia (CNRS), la Universidad de Montpellier, la Universidad de Orleans y la Universidad de Toulouse participaron en el estudio.