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| Esquema de una célula solar de heterounión de silicio y sus cargas fotogeneradas. Los números corresponden a tres de las principales señales de ruido eléctrico identificadas por los investigadores en el estudio. Estas señales de ruido se producen cuando 1) los electrones y 3) los huecos atraviesan las capas y 2) cuando las cargas quedan atrapadas en el límite entre el silicio y la capa transparente de ITO en la parte delantera del dispositivo. Crédito: Kevin Davenport |
Procesos de relajación en células solares de heterounión de silicio sondeados mediante espectroscopia de ruido
Hemos empleado la espectroscopia de ruido de correlación cruzada (CCNS) más moderna para estudiar la dinámica de los portadores en las células solares de heterounión de silicio (SHJ SCs). Estas células estaban compuestas por una oblea de silicio monocristalino dopado con n en contacto con capas pasivas de i-a-Si:H y capas de contacto selectivo dopado con a-Si:H. Utilizando el CCNS, somos capaces de resolver y caracterizar cuatro contribuciones de ruido separadas: (1) el ruido de disparo con un factor Fano cercano a la unidad debido a los agujeros que atraviesan la unión np, (2) un término 1/f relacionado con las fluctuaciones de potencial local de las cargas atrapadas en los defectos de a-Si: H, (3) ruido de generación-recombinación con una constante de tiempo entre 30 y 50 μs y atribuido a la recombinación de huecos en la interfaz entre la capa de ventana ITO y n-a-Si:H, y (4) un término de generación-recombinación de baja frecuencia observado por debajo de 100 K que asignamos a la emisión térmica sobre la barrera de interfaz ITO/ni-a-Si:H. Estos resultados no sólo indican que la CCNS es capaz de revelar procesos de relajación que de otro modo serían indetectables en los SC de SHJ y otros dispositivos multicapa, sino también que la técnica tiene una selectividad espacial que permite identificar la capa o la interfaz en la que tienen lugar estos procesos.
A medida que la sociedad avanza hacia un futuro de energías renovables, es crucial que los paneles solares conviertan la luz en electricidad de la forma más eficiente posible. Algunas células solares de última generación se acercan al máximo teórico de eficiencia, y los físicos de la Universidad de Utah y el Helmholtz-Zentrum de Berlín han descubierto una forma de mejorarlas aún más.
En un nuevo estudio, los físicos utilizaron una técnica conocida como espectroscopia de ruido de correlación cruzada para medir las minúsculas fluctuaciones de la corriente eléctrica que fluye entre los materiales del interior de las células solares de silicio. Los investigadores identificaron señales de ruido eléctrico cruciales que son completamente invisibles para los métodos convencionales de medición de ruido. También fueron capaces de identificar los procesos físicos que probablemente causan el ruido, que a menudo se traduce en una pérdida de energía y una menor eficiencia.
"Medir el ruido en un objeto es relativamente sencillo. Basta con comprar dispositivos que lo hagan. Pero el problema que nos aqueja es que estos dispositivos también tienen ruido", explica Kevin Davenport, instructor asociado de física en la U y autor principal del trabajo. "Esta técnica de correlación cruzada nos permite no sólo medir el ruido del dispositivo, sino también medir el ruido de nuestro detector y eliminarlo para poder ver señales de ruido mucho, mucho más pequeñas".
La técnica, que se publicó el 24 de junio de 2021 en la revista Scientific Reports, es una nueva e importante herramienta para mejorar las interfaces de los materiales para conseguir una mejor célula solar, o para analizar las ineficiencias de otros dispositivos complicados.
"Es sorprendente la importancia que tienen para la industria las pequeñas mejoras en la eficiencia. Sólo una fracción de un porcentaje de mejora se traduce en miles de millones de dólares debido a la escala de producción", dijo el coautor Klaus Lips, profesor de física en la Universidad Libre de Berlín y jefe de departamento en el Centro Helmholtz de Berlín, donde se han diseñado y fabricado las células solares.
"En el pasado, hemos utilizado la técnica de correlación cruzada para estudiar diodos emisores de luz bastante sencillos para la investigación, pero las ventajas del método salieron verdaderamente a la luz en este trabajo", dijo Andrey Rogachev, profesor de física de la U y coautor del estudio. "Y va más allá de la industria solar. En cualquier dispositivo con muchas capas, cada interfaz entre materiales puede disminuir la eficiencia de alguna manera. Es tan complicado que hay que ser muy discreto para poder decir qué está pasando y, lo que es más importante, dónde se produce ese ruido concreto. Resulta que esta técnica nos permite hacer precisamente eso".
Un solo método no era suficiente para entender los dispositivos complejos. La interpretación de los datos sobre el ruido se ha visto muy favorecida por las simulaciones de células solares realizadas por C.T. Trinh, investigador postdoctoral del Helmholtz-Zentrum de Berlín y coautor del estudio. El último coautor es Mark Hayward, entonces investigador de la U y ahora estudiante de posgrado en la Universidad de California, Irvine.
Analizar el ruido
El estudio analizó las células solares de heterounión (HSC) de silicio, un tipo de célula solar monomaterial de alta gama y actualmente la más eficiente de su clase en el mercado: el 26,7% de la luz que incide en la célula se convierte en electricidad. En cambio, las células que componen los paneles solares de una casa residencial oscilan entre el 15% y el 20% de eficiencia.
En una HSC, la generación de electricidad comienza cuando las partículas individuales de luz, llamadas fotones, son absorbidas por la capa fotoactiva hecha de silicio cristalino y crea pares de electrones con carga negativa y agujeros con carga positiva, que son cargas causadas por los electrones perdidos. A continuación, los electrones y los huecos son arrastrados en direcciones opuestas por un campo eléctrico creado por dos contactos selectivos hechos de silicio amorfo hidrogenado y modificado con impurezas. Este proceso produce la corriente que utilizamos como electricidad. El problema es que el electrodo selectivo y el silicio fotoactivo no coinciden perfectamente, lo que crea defectos que atrapan electrones. Para eliminar estos defectos en células solares de grado de investigación como las del estudio, los científicos colocan entre ellas una capa ultrafina de silicio amorfo puro. Finalmente, todas estas cinco capas se intercalan entre dos capas de material conductor transparente, conocido como ITO, y electrodos de oro.
La eficacia de los HSC depende de lo bien conectadas que estén las distintas capas entre sí. Un ligero desajuste entre dos capas puede dificultar que los electrones lleguen a su destino, un problema que producirá una señal de ruido.
"Ese problema está como escondido dentro de estas interfaces, y es realmente difícil poder detectar cualquier tipo de señal. Pero la técnica de ruido que utilizamos es muy sensible a señales individuales muy, muy pequeñas", afirma Davenport. Es como escuchar una nota tocada por diferentes instrumentos, continuó. Una nota de Do en un violín es la misma que una nota de Do en un violonchelo, pero suenan diferente. Si se analiza esa nota, se puede extraer información para saber algo sobre el instrumento que la produjo, como la longitud o el material de las cuerdas.
"Nosotros hacemos algo parecido. Vemos este amplio espectro de diferentes señales de ruido y diferentes posiciones a lo largo del eje de frecuencias. Podemos decir: 'Vale, esta parte de la nota que vemos podemos atribuirla a este proceso físico y esta parte es un proceso físico diferente'", explica Davenport. "Pero el aparato está lleno de estos procesos que generan ruido y es realmente difícil desenredarlos, como sacar una sola voz en un coro de 200 personas. Esta técnica nos permite eliminar gran parte de la parte no deseada de la señal".
Mapeo de ineficiencias
Los HSC de silicio son excelentes tal y como son, pero siguen teniendo límites. La nueva técnica del equipo de investigación identificó zonas clave del dispositivo en las que determinados procesos físicos producen señales eléctricas. En el futuro, pequeños ajustes en estas etapas podrían mejorar la eficiencia de estas células, y de las células solares del futuro. Después de tamizar la cacofonía eléctrica para descubrir las señales relevantes, los físicos realizaron una simulación para determinar qué procesos físicos estaban ocurriendo en el lugar de la señal.
La próxima generación de células solares se conoce como células en tándem, que son pilas de distintos materiales fotovoltaicos que son sensibles cada una a una parte diferente de la luz solar, lo que confiere a ese dispositivo la capacidad de generar más energía. Una de las capas propuestas para el dispositivo es el material de perovskita.
"En conjunto, la nueva célula solar puede superar el límite del dispositivo de silicio por sí mismo, más allá del 30% de eficiencia", dijo Lips.
En este límite de eficiencia, las pequeñas pérdidas son importantes. Una de estas pérdidas ha sido observada por los científicos de materiales; la deposición del ITO transparente modifica de alguna manera las capas de silicio subyacentes, creando defectos que reducen la eficiencia del dispositivo. Una de las principales señales de ruido eléctrico que los investigadores identificaron en este estudio se produjo en esta interfaz, donde las cargas quedan atrapadas y se liberan. Otra señal importante se producía cuando los agujeros atravesaban una barrera similar en la parte posterior del dispositivo.
"La capacidad de detectar estas señales significa que podemos entender sus fuentes y mitigarlas", dijo Davenport.
Fuentes, creditos y referencias:
Referencia: "Relaxation processes in silicon heterojunction solar cells probed via noise spectroscopy", por Kevin Davenport, C. T. Trinh, Mark Hayward, Klaus Lips y Andrey Rogachev, 24 de junio de 2021, Scientific Reports.
DOI: 10.1038/s41598-021-92866-w
La investigación en la Universidad de Utah fue apoyada por la NSF y en el Helmholtz-Zentrum por la DFG.
Originalmente publicado en SciTechDaily