termodinamica

El objetivo de las celdas solares es producir energía eléctrica
Las celdas solares de primera generación consisten en una sola unión P-N y el material de base en su producción es el silicio cristalino. Estas celdas solares son las más comunes y cubren ~90% del mercado actual. Sin embargo, 70% del costo de estas celdas está determinado por el material de base (sustratos de silicio cristalino).Las obleas de silicio que se requieren deben de ser de gran pureza. Hoy se realizan importantes esfuerzos para aumentar la eficiencia de estas celdas, existe un límite en la eficiencia de conversión fotovoltaica en una sola unión P-P de silicio cristalino, es el límite de Shockley-Queisser (~31%). Este límite fue calculado en 1961 y consiste en un análisis de los portadores de carga generados ycolectados en la celda por cada fotón solar incidente. Esto depende sobre todo del tamaño del ancho de la banda prohibida del material semiconductor, Eg, ya que el material no absorberá los fotones solares con energías menores a Eg, lo que disminuye su eficiencia. Esta también depende de la probabilidad de generación y recombinación de los portadores de carga dentro de la celda solar. El limiteShockley-Queisser considera la probabilidad de generación de pares como uno y que la recombinación de portadores es en su mayoría radiativa, por lo que Eg es el factor que más influye en este límite para la eficiencia en celdas solares.
Debido a que el límite de Shockley-Queisser impone una eficiencia máxima a las celdas solares de silicio cristalino, se han desarrollado celdas solares de distintosmateriales, que son las llamadas celdas solares de segunda generación, fabricadas a partir de películas delgadas de distintos materiales semiconductores: GaAs, CdTe, silicio amorfo hidrogenado, etc.
En las llamadas celdas solares de tercera generación se busca combinar las ventajas de costo de producción de las celdas solares de segunda generación, pero aumentando significativamente la eficienciapara que el costo por watt generado sea mucho menor que el actual. Para lograr ese objetivo e necesario mantener las ventajas económicas de la tecnología basada en películas delgadas, al utilizar materiales abundantes y no tóxicos cuyo procesamiento se mantenga en el mismo rango de costos actuales.
Limitaciones principales para la eficiencia de las celdas solares
Las pérdidas más relevantes sedeben a: a) La no absorción de fotones solares en el material, b) La pérdida de energía de los portadores fotogenerados cuando se relajan a través de fonones hasta el extremo de las bandas de conducción o valencia, c) Otras perdidas se pueden producir en la interfaz de la unión o d) en las zona de los contactos. También se debe considerar e) la combinación de los portadores como parte de lasperdidas en una sola celda solar. Si esta recombinación es radiativa, los fotones generados por luminiscencia pueden volver a absorberse para disminuir las perdías.
Se ha observado que los nanocristales de silicio (nc-Si) embebidos en diferentes matrices, como oxido de silicio (SiO2), nitruro de silicio (Si3N4), carburo de silicio (SiC) o silicio amorfo (a-Si) con propiedades como ancho de bandaprohibida, absorción, estabilidad química y fotoestabilidad, se pueden aprovechar para este fin. Se explora la utilización de nanocristales de silicio para la elaboración de celdas con diferentes ancho es de banda (celdas tándem) o como convertidores de frecuencia para mejorar la absorción de fotones solares. También se presentan las ventajas que ofrece el silicio polimorfo (una mezcla de fasesentre nanocristales de silicio y silicio amorfo) en materia de absorción, fotoestabilidad y fotoconductividad.
Celdas tándem: ingeniería del ancho de banda de absorción con nanocristales de silicio
Los mecanismos que ocasionan una mayor pérdida de energía en una celda solar son la no absorción de fotones solares cuya energía es menor a la banda prohibida del material y la pérdida de energía por...