DESARROLLO DE NUEVAS ARQUITECTURAS DE CÉLULAS SOLARES VERTICALES PARA ULTRA-ALTOS NIVELES DE CONCENTRACIÓN

Actualmente vivimos en una época en la que los combustibles fósiles son la principal fuente de energía en nuestro día a día. Uno de los principales retos de la sociedad actual es cambiar esta situación, y para ello se intentan desarrollar y mejorar las diferentes tecnologías de energías renovables (solar, eólica, hidráulica, maremotriz, etc). Además de ello, se están desarrollando otras tecnologías como el almacenamiento de energía, vehículos eléctricos, obtención de energía mediante hidrógeno, etc. Estos desarrollos pretenden llevarnos por el camino de una nueva sociedad libre de combustibles fósiles. Es en este escenario donde se espera que la energía solar y la tecnología fotovoltaica jueguen un papel importante. La fotovoltaica se divide en diferentes tecnologías (silicio, fotovoltaica de concentración (CPV), fotovoltaica orgánica, fotovoltaica de películas delgadas, etc). Entre todas las tecnologías fotovoltaicas, la CPV ha permitido aumentar el límite teórico de eficiencia (η) obtenida por una célula de silicio típica a bajo coste. Esto se debe a que la CPV está basada en el uso de dispositivos ópticos baratos que concentran la luz solar en una célula pequeña y muy eficiente. Actualmente, los sistemas CPV están basados principalmente en células solares horizontales (HSC) multi-unión (MJ) de alta eficiencia. Sin embargo, las células HSC MJ no permiten alcanzar altas eficiencias a concentraciones solares (Cratio) mayores a los 1000-2000 soles, lo que limita el desarrollo de la ultra - alta (UH) CPV, denominada UHCPV. Estos sistemas tienen un gran interés debido a su potencial para aumentar la eficiencia y disminuir los costes de la tecnología CPV. La principal limitación de las células actuales para UHCPV es debido al sombreado de los contactos superiores, así como por las pérdidas por resistencia en serie (RS). Es en este punto donde el objetivo de esta Tesis Doctoral intenta contribuir al estudio de nuevas arquitecturas de células solares para UHCPV, centrándonos en el desarrollo de estructuras verticales con el objetivo de reducir las pérdidas debidas al sombreado de los contactos superiores y las de RS. En primer lugar, se realizó una revisión del estado del arte de materiales semiconductores y de arquitecturas de células solares, con el objetivo de seleccionar los que mejor se adecuen a los niveles de UHCPV. Esta selección, además de estar basada en una profunda revisión de la literatura, también se combinó con simulaciones realizadas mediante el software Silvaco TCAD, específico para el diseño de dispositivos semiconductores. A partir de los resultados del estado del arte y las simulaciones llevadas a cabo, se determinó qué células actuales se adaptan mejor a la tecnología UHCPV. A partir del estudio realizado se decidió investigar la denominada célula Vertical – Tunnel – Junction (VTJ). Para ello, en primer lugar, se realizó una optimización de la estructura a 4000 soles, obteniendo una eficiencia máxima (ηmax) de 31.7%. Por otro lado, se llevó a cabo un análisis de cómo afectan los mecanismos de recombinación a la estructura, obteniendo que la recombinación radiativa dominaba en los distintos puntos de operación estudiados, voltaje de circuito abierto (VOC), corriente de corto circuito (ISC) y potencia máxima (Pmax). Además de ello, se hizo un análisis de cómo afectaban el Cratio y los mecanismos de recombinación a cada uno de los parámetros característicos de una célula solar. De este análisis se obtuvo que el comportamiento de estos parámetros no estaba limitado por ninguno de los mecanismos de recombinación. Se observó que la ISC aumentaba de forma lineal con Cratio independientemente de la recombinación considerada y sin verse afectada por ninguna de ellas. En el caso de VOC, se obtuvo que aumentaba de forma lineal con el logaritmo de Cratio, y que además a Cratio mayores de 100 soles la recombinación radiativa dominaba, mientras que a Cratio más bajas su contribución y la de Shockley – Read – Hall (SRH) son muy similares. Para el Fill Factor (FF), se obtuvo que aumentaba con el Cratio hasta un valor de 2000 soles y para Cratio mayores decrecía, afectándole más la recombinación radiativa. Por último, se obtuvo que η aumentaba linealmente con el logaritmo de Cratio, sin observarse un impacto considerable de los mecanismos de recombinación. En este caso, para Cratio mayores a 100 soles, la recombinación radiativa domina, mientras que, a valores menores, SRH y el efecto radiativo dominan de forma similar. A pesar de ello, se obtuvo una eficiencia récord (ηrecord) de 32.2% a 10000 soles, mejorando el récord actual hasta el momento, que era de 29.3% a 50 soles. Por otro lado, se validó el modelo de una sola exponencial (Single Exponential Model (SEM)) mediante el método de Phang et al. para la célula solar VTJ. Además, también se analizó el comportamiento eléctrico respecto al Cratio y la temperatura en el rango de 1000 a 10000 soles y 298 y 423 K respectivamente. En primer lugar, se halló que el SEM en combinación con el método de Phang et al. es apropiado para predecir y evaluar el funcionamiento de la célula VTJ, obteniendo errores menores al 1% para todos los casos estudiados. Por otro lado, los parámetros característicos del SEM fueron analizados, observando que la corriente fotogenerada (Iph) aumentaba de forma lineal con Cratio, así como que crecía ligeramente con la temperatura. La corriente de saturación (I0) también aumentaba de forma prácticamente lineal con Cratio y la temperatura. El factor de idealidad del diodo (m) sigue una tendencia similar a I0, aumentando con Cratio y la temperatura. Las resistencias en serie (RS) y en paralelo (Rsh) decrecían de forma exponencial con Cratio, y también disminuyen con la temperatura.

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