Las células solares de nanopartículas ofrecen la capacidad única de convertir la luz solar en energía eléctrica con un consumo de material reducido, tiempos de deposición más cortos y una mejor acumulación de portadores en materiales absorbentes defectuosos.
Estudio: Diseño y Análisis de Células Solares de Nanopartículas de Silicio Multicapa. Crédito de la foto: plotplot/Shutterstock.com
Un estudio publicado en la revista Scientific Reports investigó la posibilidad de utilizar células solares de nanopartículas de silicio (Si) como absorbentes que atrapan la luz en energía fotovoltaica ultrafina.
Ventajas de las células solares de nanopartículas
Las células solares de nanopartículas son estructuras fotovoltaicas ultrafinas con un espesor de absorción reducido en un factor de diez en comparación con las células solares convencionales.
Es probable que las células ultrafinas ofrezcan varias ventajas. Cuando se utilizan elementos raros, minimizar el consumo de material es una manera fácil de aumentar el ahorro de costos.
Los tiempos de deposición reducidos atribuidos a las capas ultrafinas conducen efectivamente a un mayor volumen de fabricación industrial y menores costos. Además, el voltaje de circuito abierto aumenta al disminuir el espesor del material absorbente.
Los fotovoltaicos ultrafinos han hecho avances cada vez mayores y se han utilizado en naves espaciales debido a sus longitudes de difusión de portadores de carga cortas, que ofrecen resistencia al daño por radiación. Además, su naturaleza flexible los convierte en excelentes fuentes de energía para dispositivos portátiles.
Aspectos ópticos y eléctricos de las células solares de nanopartículas
El diseño de celdas solares de nanopartículas requiere un enfoque en los aspectos tanto ópticos como eléctricos de las celdas solares de nanopartículas.
Con respecto al aspecto óptico, el comportamiento de absorción de una celda es la propiedad fundamental que define qué tan efectivo es el diseño de una celda para generar una fotocorriente más grande.
La optimización de la brecha de banda de los absorbentes celulares y el uso de ecuaciones de transporte de portadores de carga para evaluar la generación, difusión, deriva y recombinación de fotoportadores son aspectos eléctricos importantes.
La mayor desventaja de la energía fotovoltaica ultrafina es la falta de absorción de luz. Por lo tanto, los investigadores suelen centrarse en desarrollar diseños de gestión de la iluminación con aplicaciones prácticas.
Ventajas de usar nanopartículas
Grabar un patrón en estructuras fotovoltaicas ultrafinas podría contradecir las ventajas fundamentales de estas células ultrafinas y dificultar mucho su diseño. Por lo tanto, a menudo son preferibles los diseños de celda básicos con eficiencias razonables.
La inclusión de superficies rugosas no uniformes ha mostrado resultados alentadores entre varias estrategias para aumentar la corriente de cortocircuito en fotovoltaicos ultrafinos.
La influencia beneficiosa de las nanopartículas en la mejora de la absorción y la ampliación de la banda del espectro solar para células fotovoltaicas cada vez más pequeñas se ha puesto de manifiesto recientemente. A diferencia de la estructuración de los cristales fotónicos, las nanopartículas se pueden fabricar y recubrir mediante procesos menos costosos.
Las celdas solares de nanopartículas basadas en silicio de bajo costo tienen mejores perspectivas comerciales que las celdas solares de GaAs para su uso en una variedad de aplicaciones terrestres con requisitos mínimos de energía.
¿Qué hicieron los investigadores?
El equipo demostró un método prometedor de gestión de fotones para energía fotovoltaica ultrafina utilizando células solares de nanopartículas de silicio multicapa.
Demostraron la capacidad del diseño de textura natural para separar y transmitir los portadores fotogenerados y absorber la luz.
El equipo evaluó las propiedades ópticas de las estructuras formadas por los dispersores de Mie en comparación con las células planas de grosor similar. Presentaron una evaluación completa del comportamiento celular para diferentes números de capas en incidencia oblicua y para diferentes periodicidades de partículas.
Se han estudiado varias situaciones para adaptar nanopartículas de Si como elemento activo de una célula solar de nanopartículas. Luego se seleccionó una arquitectura adecuada y se optimizaron sus propiedades eléctricas y geométricas.
Para mejorar aún más la absorción, los investigadores estudiaron los efectos de la dispersión de nanopartículas de sílice en el frente celular.
Resultados del estudio
En esta investigación, se propusieron nanopartículas de silicio de tamaño submicrónico multicapa como elementos absorbentes en una célula solar de nanopartículas.
Los investigadores realizaron un estudio paramétrico para examinar el rendimiento de absorción del grupo de dispersores de Mie y descubrieron que el rendimiento de absorción de la célula solar de nanopartículas era mayor con menos capas y se acercaba al rendimiento de absorción de una capa plana de Si con más capas.
En una población agrupada de nanopartículas de silicio, la periodicidad no tuvo ningún efecto sobre la mejora de la absorción de la célula solar de nanopartículas. Se han desarrollado varios diseños para modificar las nanopartículas de Si en una unión pn.
El equipo analizó el rendimiento eléctrico de varios casos de estudio y concluyó que la eficiencia potencial podría alcanzar alrededor del 11 %, lo que es un resultado prometedor dada la naturaleza ultrafina de las células solares de nanopartículas.
Este estudio también mostró que agregar nanopartículas de sílice con las dimensiones apropiadas en la superficie de la celda puede aumentar la fotocorriente en aproximadamente un 10 %.
Relación
Mirnaziry, S., Shameli, M. y Yousefi, L. (2022). Diseño y Análisis de Células Solares de Nanopartículas de Silicio Multicapa. Informes científicos, 12. Disponible en: https://www.nature.com/articles/s41598-022-17677-z
