Incremento en la eficiencia de celdas solares de silicio mediante el uso de puntos cuánticos.

Abstract

La tecnología de celdas solares basada en silicio ha capturado la mayor parte del mercado fotovoltaico principalmente debido a su relativamente alta eficiencia a precios competitivos. Durante años recientes, el incremento en la eficiencia de dispositivos fotovoltaicos ha sido un objeto de investigación mediante métodos de nanotexturizado, recubrimientos antirreflejantes, nuevos esquemas de pasivación superficial, entre otros. Sin embargo, el silicio, como cualquier otro material, presenta ciertas limitantes en la eficiencia de conversión de energía debido principalmente al rango de absorción de luz. Las razones de esto se deben a que, en principio, solo los fotones que tienen suficiente energía (igual o más energía que la banda prohibida) pueden ser absorbidos por el material, permitiendo que fotones de baja energía sean transmitidos y perdidos sin exhibir un efecto fotovoltaico. Por otro lado, los fotones con energía mucho mayor al de la banda prohibida tienen una probabilidad de interactuar con modos vibracionales del material en un proceso conocido como termalización, lo que provoca que una cantidad de fotones de alta energía sean perdidos sin generar pares electrón-hueco. Estas pérdidas de fotones de alta y baja energía pueden ser reducidas mediante el uso de materiales luminiscentes. En el caso de fotones de baja energía, se pueden utilizar materiales que produzcan una conversión de energía tipo corrimiento de anti-Stokes. En este proceso, se tiene la absorción de fotones de baja energía (menor a la banda prohibida) y emisión de fotones de mayor energía, suficiente para generar pares electrón-hueco. Por otro lado, cuando los fotones son demasiado energéticos y tienden a producir termalización del material, la alternativa propuesta es la utilización de materiales capaces de realizar una conversión de energía de tipo corrimiento de Stokes, de modo que se tenga absorción de fotones de alta energía (que normalmente producirían termalización) y una subsecuente emisión de fotones de baja energía, pero a su vez con suficiente energía para lograr ser absorbido por la celda solar. En este trabajo de tesis, se realizó la síntesis de puntos cuánticos semiconductores para su posterior aplicación en dispositivos fotovoltaicos como películas luminiscentes de conversión de energía de tipo corrimiento de Stokes (conversión descendente en analogía a la terminología en inglés). Otros estudios se han enfocado en el uso de puntos cuánticos en tecnologías fotovoltaicas como componentes activos incluyendo el transporte de portadores de carga. Sin embargo, en la mayoría de los casos, los materiales y/o métodos utilizados podrían representar un problema al intentar escalarlos a manufactura en gran escala debido a los costos y tiempos de producción involucrados. En cambio, en el presente trabajo, se realizaron síntesis mediante técnicas no costosas y utilizando materiales cuyas propiedades han sido bien caracterizadas como lo son el silicio (Si), seleniuro de cadmio (CdSe) y sulfuro de cadmio (CdS) entre otros. Los métodos aquí propuestos representan una alternativa prometedora para alcanzar mayores eficiencias en dispositivos fotovoltaicos. Los estudios realizados mediante el depósito de películas de puntos cuánticos demostraron incrementos de hasta 12% en la eficiencia de celdas solares. Estos resultados comprueban que la aplicación de materiales con propiedades de conversión descendente representa una estrategia viable para el aumento en la eficiencia de celdas solares basadas en silicio que además podría ser compatible con esquemas de producción a mayor escala logrando promover de esta manera la utilización de la técnica propuesta.