Célula solar de tres uniones III-V con una eficiencia del 29,3%

Investigadores japoneses han construido una célula solar InGap-GaAs-CIGS que supuestamente puede alcanzar una eficiencia del 35%. El dispositivo ya ha alcanzado una eficiencia del 31,0%, una tensión de circuito abierto de 2,97 V, una densidad de corriente de cortocircuito de 12,41 mA/cm2 y un factor de llenado de 0,80.

octubre 24, 2022 Emiliano Bellini

De pv magazine Global

Investigadores dirigidos por el Instituto Nacional de Ciencia y Tecnología Industrial Avanzada (AIST) de Japón han fabricado una célula solar de tres uniones basada en fosfuro de indio y galio (InGaP), arseniuro de galio (GaAS) y cobre, indio, galio y selenio (CIGS) con un diseño mecánico apilado.

«Actualmente estamos aumentando nuestros esfuerzos para mejorar la eficiencia de la célula y el desarrollo de la tecnología de producción en masa», declaró el investigador Kikuo Makita a la revista pv, señalando que este tipo de célula tiene el potencial de alcanzar eficiencias cercanas al 35%.

Los científicos construyeron la célula con una célula superior de InGap-GaAs de dos uniones con un bandgap de 1,49 eV, basada en una estructura de heterounión de emisores traseros desarrollada por el fabricante japonés Sharp, y un dispositivo inferior de CIGS con un bandgap de 1,01 eV, con una rugosidad superficial mejorada. Conectaron las células mediante una pila inteligente modificada con nanopartículas de paladio (Pd) y adhesivo.

El grupo de investigación mejoró la superficie de la célula inferior mediante un grabado húmedo. Utilizaron una solución a base de bromo y modificaron su fina capa de óxido conductor transparente (TCO).

«La rugosidad de la superficie provoca un aumento de la anchura del hueco en la interfaz de unión», explicaron, y señalaron que esta rugosidad, combinada con el grosor del TCO, puede provocar pérdidas de reflexión. «Por lo tanto, en este estudio, nos centramos en minimizar la rugosidad de la superficie y el grosor del TCO».

Los académicos probaron el rendimiento de la célula en condiciones de iluminación estándar. Comprobaron que alcanzaba una eficiencia de conversión de energía del 29,3% para el área de apertura (31,0% para el área activa), una tensión de circuito abierto de 2,97 V, una densidad de corriente de cortocircuito de 12,41 mA/cm2 y un factor de llenado de 0,80.

Afirmaron que la eficiencia obtenida del 29,3% es superior a la de los resultados anteriores del grupo. Afirmaron que era el valor más alto jamás registrado para una célula solar multijunción de dos terminales basada en GaAs.CIGSe.

«Examinamos los costes de las células que utilizan la tecnología Smart stack y, según nuestra simulación, pueden dar lugar a un coste final del módulo de 2 dólares/W», dijo Makita. «El coste de la célula de GaAs, el coste de la célula de CIGSe, el coste de adhesión y el coste de modulación son del 86%, 7%, 3% y 4%, respectivamente.

La célula de GaAs, especialmente el sustrato de GaAs y el epitelio de GaAs, es el principal factor que afecta a los costes de fabricación del dispositivo.

«En nuestro proyecto se estudian las técnicas de despegue epitaxial del dispositivo (ELO) y de reutilización del sustrato para reducir los costes de los sustratos de GaAs», dijo Makite. «Además, el AIST ha desarrollado una epitaxia en fase de vapor de hidruro (H-VPE), que es un nuevo método de crecimiento para las células de GaAs. La H-VPE es una técnica de bajo coste en comparación con la técnica general de deposición de vapor químico metal-orgánico (MOCVD). Creemos que el desarrollo de estas tecnologías de fabricación contribuye a la reducción de costes de las costosas células de GaAs».

Los investigadores presentaron el diseño de la célula en «Mechanical stacked GaAs//CuIn1-yGaySe2 three-junction solar cells with 30% efficiency via an improved bonding interface and area current-matching technique» (Células solares de tres uniones GaAs//CuIn1-yGaySe2 apiladas mecánicamente con una eficiencia del 30% mediante una interfaz de unión mejorada y una técnica de ajuste de corriente de área), que se publicó recientemente en Progress in Photovoltaics. El coste de producción de las células solares basadas en compuestos de materiales de elementos III-V -denominados según los grupos de la tabla periódica a los que pertenecen- ha confinado estos dispositivos a aplicaciones de nicho, como drones y satélites, donde el bajo peso y la alta eficiencia son preocupaciones más acuciantes que los costes en relación con la energía producida.

Los investigadores del Fraunhofer ISE lograron recientemente una eficiencia de conversión del 35,9% para una célula solar monolítica de triple unión basada en silicio. En agosto de 2020, el instituto de investigación anunció una eficiencia de conversión del 25,9% para una célula solar en tándem III-V cultivada directamente sobre silicio. Esta célula es una versión modificada de una célula solar III-V con una eficiencia del 34,5% que se fabrica mediante un proceso conocido como unión directa de obleas, en el que las capas III-V se depositan primero en un sustrato de arseniuro de galio (GaAs) de aluminio y luego se presionan entre sí.

Los investigadores de la Universidad de Tampere (Finlandia) acaban de desarrollar una célula solar de unión múltiple III-V que supuestamente tiene el potencial de alcanzar una eficiencia de conversión de energía cercana al 50%. El Laboratorio Nacional de Energías Renovables (NREL) de Estados Unidos anunció el año pasado una eficiencia del 32,9% para un dispositivo de célula en tándem que utiliza materiales III-V.

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