Células solares: Pérdidas visibles en la nanoescala
Las células solares de silicio cristalino alcanzan eficiencias máximas, especialmente en combinación con contactos selectivos de silicio amorfo (a-Si:H). Sin embargo, su eficiencia está limitada por las pérdidas en estas capas de contacto. Ahora, por primera vez, un equipo del Helmholtz-Zentrum Berlin (HZB) y de la Universidad de Utah (EE.UU.) ha demostrado experimentalmente cómo estas capas de contacto generan corrientes de pérdida a escala nanométrica y cuál es su origen físico. Utilizando un microscopio de fuerza atómica conductivo, escanearon las superficies de las células solares en ultravacío y detectaron minúsculos canales de tamaño nanométrico para las corrientes oscuras perjudiciales, que se deben al desorden de la capa a-Si:H.
Se utiliza una punta conductora de AFM para escanear la superficie de la muestra de una interfaz a-Si:H/c-Si bajo ultra-alto vacío en la escala de nm, revelando los canales de transporte de los portadores de carga a través de defectos en el a-Si:H (estados rojos en la sección ampliada).
© Martin Künsting /HZB
Las células solares de silicio son ahora tan baratas y eficientes que pueden generar electricidad a precios inferiores a 2 céntimos/kWh. Las células solares de silicio más eficientes de la actualidad se fabrican con capas de contacto de silicio amorfo selectivo (a-Si:H) de menos de 10 nanómetros, que son las encargadas de separar las cargas generadas por la luz. En HZB se consiguen eficiencias superiores al 24% con este tipo de células solares de heterounión de silicio y también forman parte de una célula solar en tándem que ha permitido alcanzar un récord de eficiencia del 29,15%, según se ha informado recientemente (A. Al-Ashouri, et al. Science 370, (2020)). El actual récord mundial de Japón para una célula solar de silicio de unión simple también se basa en este heterocontacto (26,6%: K. Yoshikawa, et al. Nature Energy 2, (2017)).
Todavía existe un considerable potencial de eficiencia relacionado con estos sistemas de heterocontacto, sin embargo, todavía no se entiende en detalle cómo estas capas permiten la separación de portadores de carga y cuáles son sus mecanismos de pérdida nanoscópica. Las capas de contacto a-Si:H se caracterizan por su desorden intrínseco, que por un lado permite un excelente recubrimiento de la superficie de silicio y, por tanto, minimiza el número de defectos interfaciales, pero por otro lado también tiene una pequeña desventaja: puede dar lugar a corrientes de recombinación locales y a la formación de barreras de transporte.
Por primera vez, un equipo de HZB y de la Universidad de Utah ha medido experimentalmente a nivel atómico cómo se forman estas corrientes de fuga entre c-Si y a-Si:H, y cómo influyen en el rendimiento de la célula solar. En un esfuerzo conjunto, un equipo dirigido por el Prof. Christoph Boehme de la Universidad de Utah, y por el Prof. Dr. Klaus Lips de HZB, pudieron resolver el mecanismo de pérdida en la interfaz del mencionado heterocontacto de silicio a escala nanométrica utilizando microscopía de fuerza atómica conductiva de ultra alto vacío (cAFM).
Los físicos pudieron determinar con una resolución casi atómica dónde la corriente de fuga penetra en el contacto selectivo a-Si:H y crea un proceso de pérdida en la célula solar. En el CAFM estas corrientes de pérdida aparecen como canales de corriente de tamaño nanométrico y son la huella de los defectos asociados al desorden de la red de silicio amorfo. "Estos defectos actúan como peldaños para que las cargas penetren en el contacto selectivo e induzcan la recombinación, lo que denominamos "tunelización mecánica cuántica asistida por trampas", explica Lips. "Es la primera vez que se han hecho visibles estos estados en a-Si:H y que hemos podido desentrañar el mecanismo de pérdida en condiciones de trabajo de una célula solar de máxima calidad", informa el físico con entusiasmo.
El equipo de Utah/Berlín también pudo demostrar que la corriente oscura canalizada fluctúa estocásticamente a lo largo del tiempo. Los resultados indican que existe un bloqueo de la corriente a corto plazo, causado por la carga local que queda atrapada en los defectos vecinos y que cambia la posición energética de los estados de túnel (stepping stones). Esta carga atrapada también puede hacer que la fotovoltaje local en un canal de corriente se eleve por encima de 1V, lo que está muy por encima de lo que se podría utilizar con un contacto macroscópico. "En esta transición del mundo nanométrico al macroscópico se encuentra la apasionante física de las heterouniones y la clave de cómo seguir mejorando la eficiencia de las células solares de silicio de forma aún más específica", afirma el profesor Dr. Bernd Stannowski, responsable del desarrollo de las células solares de heterounión de silicio industriales en HZB.
Nota: Este artículo ha sido traducido utilizando un sistema informático sin intervención humana. LUMITOS ofrece estas traducciones automáticas para presentar una gama más amplia de noticias de actualidad. Como este artículo ha sido traducido con traducción automática, es posible que contenga errores de vocabulario, sintaxis o gramática. El artículo original en Inglés se puede encontrar aquí.
Publicación original
Mandefro Y. Teferi, Hans Malissa, Anna Belen Morales-Vilches, Cham T. Trinh, Lars Korte, Bernd Stannowski, Clayton C. Williams, Christoph Boehme, and Klaus Lips; "Imaging of Bandtail States in Silicon Heterojunction Solar Cells: Nanoscopic Current Effects on Photovoltaics"; ACS Applied Nano Materials; 2021
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