El impacto de la temperatura en las células solares III-V

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Un grupo de investigación español ha estudiado el impacto de la temperatura y las condiciones espectrales en las células solares III-V que funcionan en condiciones de concentración ultraalta (UHC).

El arseniuro de galio (GaAs) y otros materiales III-V -llamados así por los grupos de la tabla periódica a los que pertenecen- son de los más conocidos en cuanto a potencial de eficiencia para células solares. Sin embargo, su elevado coste de producción los ha limitado hasta ahora a aplicaciones muy especializadas, como la alimentación de satélites y drones. En estos dispositivos, el bajo peso y la alta eficiencia son preocupaciones más acuciantes que el coste de la energía producida.

Los investigadores estudiaron una célula solar de triple unión basada en fosfuro de galio e indio (GaInP), arseniuro de galio e indio (GaInAs) y germanio (Ge). “Las medidas presentadas no tienen precedentes, ya que no existen publicaciones previas que combinen diferentes condiciones experimentales espectrales y de temperatura controlada en el rango UHC, ampliando así el rango de estudios reportados en trabajos realizados a concentraciones más bajas”, destacaron.

Para medir las curvas I-V bajo diferentes temperaturas y concentraciones de potencia, los científicos construyeron un montaje experimental basado en un simulador solar de interior multi-flash, que, según afirman, permite temperaturas de funcionamiento de hasta 85 ºC y niveles de concentración de irradiancia de hasta 2.200 soles. En estas condiciones, produjeron varios conjuntos de curvas I-V basados en 30 mediciones por combinación de temperatura y concentración.

“En una primera aproximación, las curvas muestran que tanto la corriente de circuito abierto (Isc) como la tensión de cortocircuito (Voc) aumentan con la irradiancia”, descubrieron. “Sin embargo, mientras que Isc aumenta con la temperatura, Voc disminuye. Así, los parámetros muestran un comportamiento similar en el régimen UHC al observado a concentraciones más bajas”.

En cuanto a la corriente de cortocircuito, identificaron una dependencia lineal creciente de la temperatura a niveles de irradiancia constantes y dijeron que depende de la irradiancia. Considerando los valores de circuito abierto en función de las irradiancias a diferentes temperaturas, también encontraron un “ajuste lineal que muestra una dependencia creciente de las irradiancias y un buen ajuste lineal al logaritmo natural de la irradiancia”. Sin embargo, también han hallado una dependencia lineal negativa de la tensión de circuito abierto con respecto a la temperatura a niveles constantes de irradiancia.

Además, cuando analizaron el factor de llenado de la célula, los académicos hallaron una dependencia decreciente a medida que aumentan la temperatura y la irradiancia. “Los datos indican una dependencia lineal decreciente de la eficiencia con el logaritmo de la irradiancia”, especificaron. “Con respecto a la temperatura, muestra una estrecha relación lineal entre la eficiencia de la célula y la temperatura en cada nivel de irradiancia estudiado”.

El equipo también observó una fuerte correlación entre las variaciones relativas del voltaje en circuito abierto y la eficiencia con la temperatura. Además, realizaron un análisis de las mediciones de la respuesta de las células a las variaciones espectrales en el régimen UHC utilizando el factor de relación de adaptación espectral (SMR), que es la relación de las corrientes fotogeneradas de subceldas adyacentes bajo los mismos niveles de irradiancia.

“Para valores de SMR< 1, el espectro se desplaza hacia el rojo (con menor densidad de potencia en longitudes de onda cortas en comparación con el estándar), y se obtiene menos generación en la subcelda superior”, declararon los científicos. “Por el contrario, para SMR> 1, la subcelda media presenta niveles de generación más bajos, aunque la corriente total no se ve igualmente afectada por las mismas desviaciones relativas de SMR. En el caso opuesto, con SMR< 1, la contribución de la subcélula superior es mucho menor que la de la subcélula media en el caso de SMR> 1”.

Sus hallazgos se presentaron en “Multi-junction solar cell measurements at ultra-high irradiances for different temperatures and spectra” (Mediciones de células solares de uniones múltiples a irradiancias ultraaltas para diferentes temperaturas y espectros), publicado en Solar Energy Materials and Solar Cells. El grupo estaba formado por investigadores de la Universidad de Jaén y del Centro Tecnológico Andaltec.

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