Después de desarrollar una forma de producir células solares utilizando materiales que antes se consideraban demasiado caros para su uso en la Tierra, los científicos del Laboratorio Nacional de Energía Renovable (NREL por sus siglas en ingles) han mejorado su método e hicieron el proceso más rápido.
Como se informó a finales del año pasado en la revista Crystals, los científicos fueron pioneros en una nueva técnica de crecimiento, llamada epitaxia de fase de vapor de hidruro dinámico (D-HVPE), como una alternativa a la tecnología de crecimiento actual. El costo de fabricación de las células solares fabricadas con materiales III-V, cuyo nombre se debe a la ubicación de los elementos en la tabla periódica, sigue siendo demasiado alto para aplicarlas al mercado. Usando D-HVPE, las células solares III-V podrían ingresar a los mercados terrestres, donde su capacidad altamente eficiente para convertir la luz solar en electricidad resultaría deseable.
La investigación recientemente publicada en Nature Communications detalla cómo los investigadores de NREL refinaron el proceso D-HVPE para producir células solares más de 20 veces más rápido que el proceso que ahora se usa comúnmente llamado epitaxia de fase de vapor metalorgánica (MOVPE). La mejora de la tasa de crecimiento permite el crecimiento de una capa base para la célula solar en aproximadamente 23 segundos, en comparación con más de 8 minutos en comparación con MOVPE. MOVPE generalmente usa tasas de aproximadamente 15 micrómetros por hora, aunque los científicos han estado tratando de aumentar ese ritmo.
“Si podemos reducir los costos como creemos que podemos hacerlo, eso abre una gran cantidad de mercados donde estos dispositivos serían útiles. En cualquier lugar que desee un dispositivo de alta eficiencia que sea delgado, liviano y flexible: estuches de carga electrónica, vehículos eléctricos, sistemas fotovoltaicos integrados en el edificio, techos, drones», dijo Aaron Ptak, científico senior de NREL y coautor del nuevo artículo. Sus otros coautores, todos de NREL, son Wondwosen Metaferia, Kevin Schulte, John Simon y Steve Johnston. El título del artículo es «Células solares de arseniuro de galio cultivadas a velocidades superiores a 300 µm h −1 por epitaxia en fase de vapor de hidruro».
Los científicos de NREL han utilizado el proceso D-HVPE para fabricar células solares con una eficiencia del 25 %.
«La máxima eficiencia que esperamos, usando nuestro diseño actual de dispositivo, es del 27 %», dijo Schulte, «pero fundamentalmente, no vemos ninguna razón por la que no podamos alcanzar las eficiencias de más del 29 % de MOVPE». Hay algunos obstáculos técnicos que debemos eliminar para llegar allí, pero estamos trabajando en estos obstáculos”.
MOVPE deposita átomos derivados de costosas moléculas precursoras capa por capa encima de una oblea de semiconductores, lo que lo convierte en un proceso costoso y lento. Los investigadores de NREL volvieron a un proceso más antiguo llamado epitaxia en fase de vapor de hidruro (HVPE), que fue superado por MOVPE en la década de 1970. Si bien el HVPE también deposita materiales capa por capa, el proceso es más rápido debido a la diferente química del proceso.
Los científicos de NREL avanzaron el HVPE mediante el desarrollo de un reactor de doble cámara que mueve rápidamente el sustrato desde una cámara, donde se deposita la primera capa de productos químicos, a la segunda cámara y otra capa de productos químicos. Lo denominaron dinámico HVPE para distinguir el proceso de lo que había sucedido antes. D-HVPE utiliza materiales de origen de mucho menor costo en comparación con MOVPE.
«D-HVPE es una alternativa a MOVPE, una que promete tener un costo mucho menor en la producción de alto volumen», dijo Ptak. “Lo que prometemos es la misma eficiencia del dispositivo, la misma calidad del material, pero a un costo muy reducido. Las altas tasas de crecimiento que conducen a un alto rendimiento son una de las formas en que lograremos reducir los costos».
Los investigadores también demostraron D-HVPE de fosfuro de indio galio (GaInP) a velocidades de hasta 206 micrómetros por hora, más de 50 veces las tasas de crecimiento de MOVPE tradicionales, y no creen que hayan alcanzado el techo para ese material. GaInP se usa como una capa pasivante en las células solares de arseniuro de galio (GaAs) y también se puede usar como una capa absorbente de luz en las células solares de múltiples funciones. El rápido crecimiento de GaInP permitirá un rápido crecimiento de las celdas de dos uniones GaInP / GaAs, que son aún más eficientes que las celdas de GaAs de una sola unión.
El financiamiento para la investigación provino de la Oficina de Tecnologías de Energía Solar del Departamento de Energía y la Agencia de Proyectos de Investigación Avanzada-Energía.
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