Investigadores del Laboratorio Nacional de Energías Renovables del Departamento de Energía de EE.UU. han fabricado una célula solar de arseniuro de galio (GaAs) III-V basada en un sustrato de GaAs espalado.
El coste de producir 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 el coste de la energía producida.
“Reducir los costes de fabricación se considera clave para las aplicaciones terrestres, y una forma de lograrlo es tener la capacidad de reutilizar repetidamente el sustrato sobre el que se cultivan las células”, señalan los investigadores. Esta fue la motivación para desarrollar el spalling acústico, un nuevo proceso que, según afirman, representa una vía de reutilización de bajo coste para sustratos de crecimiento epitaxial III-V con recuperación y reutilización del sustrato.
En el artículo “GaAs solar cells grown on acoustically spalled GaAs substrates with 27% efficiency” (Células solares de GaAs cultivadas en sustratos de GaAs acústicamente espigados con una eficiencia del 27), publicado recientemente en Joule, los investigadores explican que el spalling acústico, también conocido como “sonic lift-off” (SLO), es un proceso experimental que utiliza ondas sonoras para controlar la propagación de la punta de la grieta durante el spalling con el fin de suprimir la formación de facetas y mejorar la planitud de la superficie.
“La tecnología actual utiliza una capa de grabado de sacrificio que permite despegar una célula de un sustrato de arseniuro de galio (GaAs) para poder volver a utilizarlo, pero el proceso dura horas y deja un residuo que requiere un paso de pulido”, explica el grupo. “El pulido es relativamente caro y limita el ahorro potencial de este método de reutilización del sustrato. En cambio, el desconchado se realiza en segundos y crea una fractura controlada en el sustrato casi paralela a su superficie. Esta fractura permite retirar fácilmente la célula, dejando al descubierto una superficie nueva y libre de contaminantes desde el interior del sustrato que no requiere pulido.”
Los investigadores construyeron dispositivos fotovoltaicos con una estructura n-i-p y un emisor de 1 mm de grosor hecho de GaAs y selenio (SE), una capa de GaAs dopada involuntariamente de 1 mm y una capa base de 1 mm hecha de GaAs y zinc (Zn) sobre un sustrato SLO tal y como se había pulido, sin grabado húmedo.
Probado en condiciones de iluminación estándar, el dispositivo campeón fabricado con esta arquitectura alcanzó una eficiencia de conversión de potencia certificada del 26,9%, una tensión de circuito abierto de 1,061 V, una corriente de cortocircuito de 29,9 mA/cm2 y un factor de llenado del 84,9%, sin que la célula mostrara signos de derivación no lineal, que reduce la corriente que fluye a través de la unión de la célula solar y disminuye la tensión de la misma.
“Estos resultados permiten el crecimiento epitaxial de dispositivos de alto rendimiento en sustratos de coste potencialmente inferior con características a escala milimétrica”, señalan los investigadores, que añaden que el spalling acústico utilizado para construir las células se desarrolló en la Universidad Estatal de Arizona y ahora lo comercializa la empresa emergente Crystal Sonic Inc. con sede en Phonenix. “Este último avance utiliza el spalling acústico, u ondas sonoras, para controlar la fractura, suprimir la formación de facetas y mejorar la planitud del sustrato”.
En julio de 2022, otros investigadores del NREL desarrollaron una célula solar III-V basada en un sustrato de germanio (Ge) espolado. Utilizaron Ge desgastado en lugar de arseniuro de galio (GaAs), ya que el primero, que se utiliza comúnmente en aplicaciones espaciales, supuestamente reduce varios problemas asociados con el desgaste del GaAs.
Esta célula solar logró una eficiencia de conversión de potencia del 23,36% sin defectos de desprendimiento. También alcanzó una tensión de circuito abierto de 1,019 V, una densidad de corriente de cortocircuito de 28,49 mA cm-2 y un factor de llenado del 80,45%. Según los científicos, estos resultados demuestran que no es necesario devolver el germanio desconchado a un estado prístino y pulido para lograr un rendimiento de alta calidad del dispositivo.
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