Contributions to the development of novel solar cells concepts = Contribuciones al desarrollo de nuevos conceptos de células solares

Esta Tesis contribuye al desarrollo de nuevos conceptos de celulas solares. Estos nuevos conceptos son aquellas propuestas tecnologicas que no estan sujetos al limite de Shockley-Queisser (S-Q), pudiendo sobrepasarlo. Dentro de estas nuevas propuestas tecnologicas, la mas avanzada y que hoy en dia ya se aplica a nivel industrial es la celula solar de multiunion (MJSC, por sus siglas en ingles). El record de eficiencia de conversion experimental de las MJSCs es del 46.0% bajo 508 soles de concentracion publicado en 2014. Ademas, otras propuestas tecnologicas fueron propuestas y se englobaron en lo que se conoce como “celulas solares de tercera generacion”, que estaban en investigacion y desarrollo y que no se aplicaban a nivel industrial. De estas propuestas en fotovoltaica (PV, por sus siglas en ingles) como nuevos conceptos de celulas solares, la mas desarrollada es la celula solar de banda intermedia (IBSC, por sus siglas en ingles). La eficiencia limite teorica de la IBSC es del 63.2% bajo maxima concentracion y asumiendo el Sol como un cuerpo negro a 6000 K. La tecnologia mas estudiada para implementar las IBSCs ha sido la de puntos cuanticos (QDs, por sus siglas en ingles), denominadas celulas solares de banda intermedia basadas en puntos cuanticos (QD-IBSC, por sus siglas en ingles). Hasta ahora, los mayores retos de las IBSCs se han enmarcado en demostrar sus principios operacionales, lo cual ya ha sido conseguido a baja temperatura y, mas recientemente, a temperatura ambiente. Sin embargo, a pesar de los esfuerzos en la investigacion de QD-IBSCs y sus avances, estas siguen presentando dos problemas principales que disminuyen su rendimiento: una ineficiente absorcion de fotones con energias menores que la banda prohibida (EG) –fotones sub-banda prohibida– y una excesiva en la degradacion del voltaje de operacion de la IBSC comparada con una celula de referencia (aquella fabricada con la misma estructura de semiconductor, pero en la que se ha remplazado la estructura de QDs que induce la banda intermedia (IB, por sus siglas en ingles) por un material semiconductor convencional). En este contexto, nuestro trabajo se centra en contribuir al desarrollo y mejora de QD-IBSCs viables. Hemos propuesto e investigado la incorporacion de tecnicas de atrapamiento de luz basadas en texturar el sustrato de QD-IBSCs de alta banda prohibida, fabricadas con QDs de InAs en una matriz de AlGaAs, es decir, InAs/AlGaAs QDIBSCs. A traves de una amplia caracterizacion de las InAs/AlGaAs QD-IBSC texturadas, demostramos que los dispositivos de QD-IBSCs texturados muestran una mejora en la absorcion de fotones con energias por debajo de la banda prohibida. Asimismo, los dispositivos basados QD-IB pueden ser utilizados como detectores de radiacion infrarroja, a partir del concepto de fotodetector de infrarrojos activado opticamente (OTIP, por sus siglas en ingles). Nuestro texturado aplicado a dispositivos de InAs/AlGaAs QD-IB tambien mejora la fotodeteccion en el rango 3-5 μm. En relacion al concepto de IBSC, hemos ampliado la caracterizacion QD-IBSCs, mostrando, por primera vez el fenomeno de fotovoltaje con dos fotones sub-banda prohibida en prototipos de GaSb/GaAs QD-IBSC. Este fenomeno es analogo al de fotocorriente con dos fotones sub-banda prohibida, en el que en lugar de medir el incremento de la fotocorriente debida a anadir una segunda fuente de iluminacion sub-banda prohibida, se mide el incremento del fotovoltaje. Gracias a ello hemos podido mejorar la comprension del marco teorico de las IBSCs. Ademas, esta Tesis contribuye al desarrollo de un nuevo metodo de procesado de celulas solares delgadas basadas en semiconductores III-V compatibles con caracterizacion a baja temperatura y que es aplicable a QD-IBSC basadas en InAs/AlGaAs. Siguiendo este metodo, hemos fabricado y caracterizado celulas solares delgadas de AlGaAs. Mostramos la adecuacion de este metodo para medir a bajas temepraturas mediante la medida de fotocorriente o eficiencia cuantica de los dispositivos a diferentes temperaturas. Finalmente, la ultima parte de esta Tesis contribuye al entendimiento del otro concepto de celulas solares que ya hemos introducido al comienzo, las MJSCs. Hemos estudiado la eficiencia limite de la produccion de energia anual (AEE, por sus siglas en ingles) de las MJSC, haciendo una comparacion entre las MJSC conectadas en serie (MJSC-SC, por sus siglas en ingles) –presentando dos terminales electricos para su conexion– y las MJSC independientemente conectadas (MJSC-IC, por sus siglas en ingles) –presentando dos terminales para cada sub-celula que forme parte de la multiunion–. La eficiencia limite de conversion fotovoltaica para estos sistemas tandem se ha revisado siguiendo un analisis de balance detallado. Los resultados obtenidos nos confirman, por un lado, lo ya sabido: que las MJSC-IC tienen una mayor eficiencia que las MJSC-SC. Ademas, discutimos acerca del concepto de la AEE con el fin de analizar la optimizacion de dichas MJSC. Debido a la eliminacion de la restriccion de la conexion en serie (que hace que la corriente a traves de cada sub-celula en la union sea la misma) en MJSC-IC, estas tambien muestran una mayor AEE que las MJSC-SC para el mismo numero de celulas solares. A partir de estos resultados, podemos concluir que seria mas conveniente pasar de un sistema de 4-MJSC-SC a uno de 4-MJSC-IC en lugar de aumentar el numero de sub-celulas. Esta tendencia se mantiene para un mayor numero de celulas que forman la multiunion. Finalmente, con objeto de contribuir a la capacidad de fabricacion y caracterizacion del Instituto de Energia Solar de la Universidad Politecnia de Madrid (IES-UPM), hemos desarrollado un sistema de electrodeposicion para aplicar revesitmiento de metales a las celulas solares y un sistema de caracterizacion de reflectancia-transmitancia mediante una esfera integradora.