Cómo duplicar la eficiencia de células solares fotovoltaicas

Una de las maneras de mejorar la eficiencia de conversión de una célula solar fotovoltaica, es decir, la eficiencia con la que convierte la luz solar en electricidad, consiste en apilar, en la misma estructura, varias células solares de diferentes materiales semiconductores, creando lo que se conoce como célula solar multiunión o célula tándem.

Mediante esta técnica ya se han alcanzado eficiencias de conversión fotovoltaica superiores al 40 % utilizando células de tres y cuatro uniones semiconductoras, mientras que la eficiencia máxima de una célula solar convencional de silicio se encuentra en el 25 %. Sin embargo, para alcanzar eficiencias superiores al 50 % es necesario incorporar más subcélulas, diseñando y fabricando dispositivos formados por cinco o seis uniones. En estos diseños, el reto actual es conseguir el conjunto de semiconductores más adecuado para fabricar dichos dispositivos.

Ahora, en un estudio internacional, publicado en la revista Applied Physics Letters, investigadores de las universidades de Yale, Illinois (ambas en EE UU) y Rey Juan Carlos (URJC) (España) han logrado duplicar la eficiencia de conversión de la luz solar en electricidad en la subcélula superior.

En concreto, presentan células solares de indio-galio-aluminio (AlGaInP, un material semiconductor) de alta eficiencia crecidas mediante una tecnología llamada epitaxia de haces moleculares (MBE,por sus siglas en inglés).

“El AlGaInP es un material semiconductor cuaternario muy interesante, ya que se puede crecer ajustado en red sobre arseniuro de galio (GaAs), minimizando los defectos cristalinos de la estructura y por ello aumentando la eficiencia de los dispositivos, y al mismo tiempo tiene un ancho de banda prohibida elevado y configurable entre 1,9 y 2,2 electronvoltios”, explica Diego Martín, investigador del Área de Tecnología Electrónica de la URJC.

Diego Martín, investigador del Área de Tecnología Electrónica de la URJC, frente al reactor de epitaxia por haces moleculares (MBE) utilizado en este trabajo. (Foto: URJC)

“Por su parte, la MBE es una tecnología de crecimiento de materiales avanzados (semiconductores compuestos, superconductores, etc.), utilizada para fabricar dispositivos electrónicos y optoelectrónicos como láseres, células solares o circuitos integrados para altas frecuencias”, añade el investigador.

Mediante la combinación de diferentes estrategias descritas en el artículo se ha conseguido, entre otros logros, aumentar la corriente fotogenerada por las células hasta en un 80 % y fabricar células de AlGaInP por MBE con eficiencias cercanas al 11%, el doble de lo conseguido y publicado hasta la fecha.

Esta optimización es un paso fundamental previo a la integración de estos dispositivos de AlGaInP en células solares multiunión de cinco o seis uniones para superar la barrera del 50% de eficiencia de conversión fotovoltaica. Estas células ultra-eficientes serán esenciales para el futuro desarrollo y despliegue de la energía solar fotovoltaica de concentración o para aplicaciones espaciales.

Este trabajo forma parte del proyecto de investigación de la Universidad de Yale denominado Dual-Junction Solar Cells for High-Efficiency at Elevated Temperature (células solares de doble unión para alta eficiencia a temperaturas elevadas’) y financiado por Agencia de Proyectos de Investigación Avanzados-Energía (ARPA-E), órgano dependiente del Gobierno de EE UU. (Fuente: URJC)