Una cámara fotográfica convencional modificada puede medir el voltaje de circuito abierto de las células solares

Investigadores de la Universidad de Stuttgart, el Forschungszentrum Jülich y la empresa alemana Solarzentrum Stuttgart han modificado una cámara digital de consumo de bajo costo para detectar la radiación infrarroja emitida por módulos solares de silicio sometidos a polarización eléctrica y medir su eficiencia cuántica externa (EQE).

En los dispositivos fotovoltaicos, la EQE describe la eficiencia con la que los electrones que atraviesan una célula solar se convierten en fotones emitidos durante la electroluminiscencia. Este parámetro puede utilizarse para evaluar la calidad radiativa de una célula solar y determinar su voltaje de circuito abierto.

«Nuestro enfoque demuestra que incluso una cámara de consumo relativamente económica puede proporcionar resultados cuantitativos cuando su respuesta física se modela y calibra adecuadamente», afirmó el investigador principal, Jürgen Werner. «Una imagen de electroluminiscencia contiene mucha más información cuantitativa que la simple representación de zonas claras y oscuras. Con un modelo físico de cámara y una calibración adecuados, puede proporcionar la eficiencia cuántica absoluta de luminiscencia y, por tanto, información sobre la calidad local de una célula o módulo solar».

Los científicos explicaron que las cámaras digitales convencionales utilizan sensores semiconductores complementarios de óxido metálico (CMOS) basados en silicio que pueden detectar tanto radiación visible como infrarroja cercana, incluida parte del rango espectral asociado con la electroluminiscencia (EL) de los dispositivos fotovoltaicos de silicio. Sin embargo, las cámaras de consumo suelen incorporar un filtro de corte infrarrojo que suprime la radiación infrarroja cercana. Este filtro atenúa fuertemente la débil emisión EL de las células solares de silicio, lo que limita el uso de cámaras de consumo sin modificar para la obtención de imágenes EL y la caracterización fotovoltaica cuantitativa.

Los investigadores utilizaron una cámara Canon EOS 4000D y retiraron su filtro de bloqueo infrarrojo para aumentar su sensibilidad a la radiación infrarroja. También emplearon un filtro de paso largo Heliopan ES RG850 para impedir que la radiación visible de fondo de menor longitud de onda llegara al sensor. La cámara, diseñada originalmente para obtener imágenes de luz visible entre aproximadamente 400 nm y 800 nm, utiliza un detector CMOS de silicio. Sus filtros Bayer son suficientemente transparentes en torno a 1.120 nm para detectar la señal de luminiscencia emitida por las células solares de silicio.

Además de modificar el hardware de la cámara, los investigadores desarrollaron un modelo de calibración que relaciona el brillo registrado en la imagen con la emisión absoluta de luminiscencia del dispositivo fotovoltaico. El modelo tiene en cuenta tanto los regímenes de respuesta lineal como no lineal de la cámara, lo que permite convertir el brillo medido en EQE absoluta de electroluminiscencia.

El equipo probó la cámara mediante mediciones de EL realizadas en la oscuridad para minimizar la radiación de fondo. La calibración estableció un factor de conversión entre la respuesta de brillo medida y la EQE externa absoluta, y requirió una célula o módulo de referencia con una EQE de electroluminiscencia y un voltaje de circuito abierto conocidos.

Según el equipo de investigación, los experimentos revelaron una relación clara entre la respuesta de luminiscencia medida, la EQE y el voltaje de circuito abierto. A temperatura ambiente, un aumento de diez veces en la respuesta relacionada con la luminiscencia correspondió a un incremento de aproximadamente 60 mV en el voltaje de circuito abierto. En los módulos de mayor eficiencia, los resultados obtenidos en los regímenes lineal y de saturación de la cámara mostraron una buena concordancia. Las desviaciones observadas en módulos más antiguos y de menor eficiencia se atribuyeron principalmente a diferencias en el confinamiento de la luz y en la probabilidad de escape de los fotones.

«Una imagen de electroluminiscencia contiene mucha más información cuantitativa que la simple representación de zonas claras y oscuras», afirmó Werner. «Con un modelo físico de cámara y una calibración adecuados, puede proporcionar la eficiencia cuántica absoluta de luminiscencia y, por tanto, información sobre la calidad local de una célula o módulo solar».

Los investigadores presentaron la cámara y el método de calibración en «New camera model for absolute quantum efficiency measurements from electroluminescence of solar cells or modules» (Nuevo modelo de cámara para mediciones de eficiencia cuántica absoluta a partir de la electroluminiscencia de células o módulos solares), publicado en el Journal of Applied Physics.

«Nuestro siguiente paso es utilizar la cámara calibrada para determinar las eficiencias cuánticas y los voltajes de circuito abierto de otras células y módulos solares que no se hayan caracterizado previamente», añadió Werner. «El mismo modelo también debería ser aplicable a mediciones de fotoluminiscencia y, potencialmente, a mediciones realizadas a la luz del día».