El Instituto Fraunhofer de Sistemas de Energía Solar (Fraunhofer ISE) de Alemania y el instituto de investigación neérlandes AMOLF han proporcionado una extensa descripción técnica de la célula solar multiunión de silicio que batió el récord y que fue presentada a finales de septiembre.
En el artículo “Wafer-bonded two-terminal III-V//Si triple-junction solar cell with power conversion efficiency of 36.1% at AM1.5 g” (Célula solar de triple unión III-V//Si de dos terminales unida por oblea con una eficiencia de conversión de energía del 36,1% a AM1,5 g), publicado en Progress in Photovoltaics, los científicos de los dos institutos de investigación explican que la principal característica del diseño de la célula monolítica consiste en unir mediante obleas la estructura de la célula superior III-V a la inferior de silicio.
La célula de triple unión utiliza una célula superior de fosfuro de indio y galio (GaInP), una célula intermedia de fosfuro de arseniuro de indio y galio (GaInAsP) y una célula inferior de contacto pasivado de óxido de silicio (TOPCon). “La célula intermedia se depositó primero y la superior después sobre el sustrato de GaAs para reducir la caída de tensión en la célula superior debida a una elevada carga térmica”, explicaron los investigadores. “El modo de crecimiento vertical hizo necesario unir temporalmente la estructura epitaxial a una oblea de zafiro como soporte mecánico”.
El grupo fijó la estructura superior de GaInP/GaInAsP a los dispositivos TOPCon mediante unión directa de obleas activada por superficie. A continuación, implementaron la rejilla trasera mediante litografía de nanoimpresión. La célula utiliza un reflector metalodieléctrico en la parte posterior para mejorar la captura de la luz en la célula inferior y un nanorrevestimiento de metal/polímero especialmente diseñado y suministrado por AMOLF.
“Al emplear un diseño de célula de heterounión posterior tanto en la célula central como en la superior, la tensión de circuito abierto del dispositivo de triple unión pudo mejorarse en 61 mV en comparación con las generaciones anteriores”, explican los científicos. “Debido al elevado tiempo de vida de los portadores minoritarios del material n-absorbente, la eficiencia radiativa externa es mayor en comparación con un dispositivo de referencia con un diseño de célula de homojunción”.
Probada en condiciones de iluminación estándar, la célula de triple unión alcanzó una eficiencia de conversión de potencia del 36,1%, una tensión de circuito abierto de 3,309 V, una densidad de cortocircuito de 12,7 mA/cm2 y un factor de llenado del 86,0%.
“La razón principal de la mayor eficiencia en comparación con la última generación de células solares de triple unión III-V//Si fabricadas en el Fraunhofer ISE es el aumento de la tensión de circuito abierto en 61 mV”, explica el grupo. “La principal diferencia con respecto a la generación anterior es la inclusión de una configuración de célula de heterounión posterior en lugar del anterior diseño de célula de homojunción para la célula central”.
De cara al futuro, los académicos afirman que quieren reducir aún más las pérdidas ópticas del dispositivo mediante un recubrimiento antirreflectante de cuatro capas. “Las pérdidas eléctricas en la célula inferior de silicio debidas a la recombinación superficial en las zanjas de la mesa no pasivadas se reducirán en el futuro si esta tecnología se amplía a células solares de mayor tamaño”, afirman.
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