Un grupo de investigación británico-australiano ha construido una célula solar de banda intermedia con una nanoestructura semiconductora de trinquete cuántico que, según parece, aumenta la vida útil del estado de banda de trinquete del dispositivo. Su nuevo diseño se basa en una estructura de célula conocida como Vaquero-Stainer Device (VSD).

Estructura macroscópica del dispositivo.

Imagen: Imperial College London, RRL Solar , Licencia Creative Commons CC BY 4.0

Un equipo internacional de investigación ha desarrollado un nuevo diseño de célula solar de banda intermedia (IBSC) que incluye una nanoestructura semiconductora de trinquete cuántico (QR). Al parecer, este nuevo elemento permite almacenar fotoelectrones en un estado de larga duración, lo que posibilita una reabsorción óptica eficiente.

Se cree que las células solares de banda intermedia (IBSC) tienen potencial para superar el límite de Shockley-Queisser, es decir, la máxima eficiencia teórica que puede alcanzar una célula solar con una única unión p-n. Se calcula examinando la cantidad de energía eléctrica que se extrae por fotón incidente.

Los dispositivos suelen estar diseñados para proporcionar una gran corriente fotogenerada y mantener un alto voltaje de salida. Incorporan una banda de energía que está parcialmente llena de electrones dentro de la banda prohibida de un semiconductor. En esta configuración de célula, los fotones con energía insuficiente para empujar electrones de la banda de valencia a la banda de conducción utilizan esta banda intermedia para generar un par electrón-hueco.

Los científicos señalan que investigaciones anteriores demostraron un dispositivo QR-IBSC utilizando una superred de pozos cuánticos (QWSL) a baja temperatura.

“Este enfoque implicaba añadir un conjunto de estados de ‘banda de trinquete’ (RB), en los que los electrones se dispersan de forma irreversible, a costa de una pequeña penalización energética”, explicaron.

Su nuevo diseño se basa en esta estructura celular, también conocida como dispositivo Vaquero-Stainer (VSD). El nuevo diseño del dispositivo de alta barrera (CHB) aumenta supuestamente la vida útil en estado RB y hace posible el funcionamiento de la célula a temperatura ambiente.

En la configuración de célula propuesta, se inserta una capa adicional de 2 nm de espesor de películas de arseniuro de aluminio (AlAs) entre el pozo cuántico final del QWSL y una capa ancha formada por múltiples pozos cuánticos basados en aluminio, galio y arseniuro (Al0,3Ga0,7As), que actúan como banda de conducción (CB).

“Esta barrera de AlAs aumenta el confinamiento de los electrones en la RB, reduciendo el escape térmico”, afirman los académicos, que señalan que utilizaron una configuración de espectroscopia de dos fotones con demodulación doble de alta velocidad para medir la fotocorriente de dos fotones (TPP).

Fabricaron la célula con un sustrato de GaAs sin dopar mediante epitaxia de haces moleculares y una capa amortiguadora del mismo material. También utilizaron anillos de oro con un grosor de 200 nanómetros sobre titanio de 20 nanómetros de grosor alrededor para el contacto eléctrico del lado frontal y metalizaron la parte delantera del dispositivo con capas de oro y zinc.

También utilizaron un grabado parcial para el contacto eléctrico de la parte posterior, que se metalizó con indio (In) y germanio (Ge) y se conectó a una tira de oro.

“La parte posterior del dispositivo se pulió con un bisel de 45 grados para refractar el haz intrabanda que incidía en la parte posterior del dispositivo”, explican los investigadores.

Los científicos descubrieron que la vida útil del estado RB en el diseño HBD es de más de 100 s a 12 Kelvin (K), lo que, según dijeron, supone una mejora de siete órdenes de magnitud en comparación con la de la célula Vaquero-Stainer y otros diseños VSD.

“Esto condujo al funcionamiento satisfactorio del dispositivo a 300 K, lo que representa un avance significativo en el campo de los IBSC”, afirmaron.

El grupo presentó el nuevo diseño de célula en “Room Temperature Operation of a Quantum Ratchet Intermediate Band Solar Cell” (Funcionamiento a temperatura ambiente de una célula solar de banda intermedia con trinquete cuántico), publicado recientemente en RRL Solar. En él participan científicos del Imperial College de Londres (Reino Unido) y de la Universidad de Nueva Gales del Sur (UNSW) (Australia).

“Ahora deben desarrollarse futuras generaciones del dispositivo, cuyos bandgaps se ajusten mejor al espectro solar, y con diseños que mejoren la eficiencia de la captura de fotones y la extracción de RB a CB”, concluyen.

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