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Atrapamiento de Luz

El espesor óptimo del dispositivo no se controla únicamente por la necesidad de absorber toda la luz. Por ejemplo, si la luz no se absorbe dentro de una longitud de difusión de la unión, entonces los portadores generados por luz se pierden por recombinación. Además, como se discute en las pérdidas de voltaje debido a la recombinación, una célula solar más delgada la cual mantiene la absorción de un dispositivo más grueso puede tener un voltaje más alto. Por consiguiente, una estructura óptima de células solares tendrá típicamente un "atrapamiento de la luz" en el que la longitud de la trayectoria óptica es varias veces el espesor real del dispositivo, donde la longitud del trayecto óptico de un dispositivo se refiere a la distancia en la que un fotón no absorbido puede viajar dentro del dispositivo antes  de que se escape del dispositivo. Esto se define generalmente en términos de grosor del dispositivo. Por ejemplo, una célula solar sin capacidad de atrapamiento de luz puede tener una longitud de trayectoria óptica del espesor del dispositivo, mientras que una célula solar con buen atrapamiento de luz puede tener una longitud de trayectoria óptica de 50, indicando que la luz rebota hacia atrás y hacia adelante dentro de la célula muchas veces.

El atrapamiento de la luz se logra generalmente cambiando el ángulo en el que la luz viaja en la célula solar haciéndola incidente sobre una superficie inclinada. Una superficie texturada no sólo reducirá la reflexión como se ha descrito anteriormente, sino que también acoplará la luz oblicuamente al silicio, dando así una longitud de trayectoria óptica más larga que el espesor del dispositivo físico. El ángulo en el que la luz es refractada en el material semiconductor es, según la Ley de Snell, de la siguiente forma:

donde θ1 y θ2 son los ángulos de la luz incidente en la interfaz relativa al plano normal de esa interfaz dentro de los medios con índices de refracción n1 y n2, respectivamente. θ1 y θ2 se muestran en la animación siguiente.

Refracción de un rayo de luz en un límite dieléctrico. Puede ajustar el ángulo de incidencia y ver cómo afecta al ángulo del rayo transmitido al segundo medio haciendo clic en el lado derecho del gráfico y arrastrando el ratón para cambiar el ángulo. Cuando n2 tiene un índice de refracción más alto que n1, el rayo refractado está más cerca de la normal que el rayo incidente.

Al reordenar la ley de Snell, el ángulo en el que la luz entra en la célula solar (el ángulo de la luz refractada) se puede calcular:

En una célula solar monocristalina texturizada, la presencia de planos cristalográficos hace que el ángulo θ1 sea igual a 36º como se muestra a continuación.

snell's law

Reflexión y transmisión de luz en una célula solar de silicio texturizada.

La cantidad de luz reflejada en una interfaz se calcula a partir de la fórmula de reflexión de Fresnel. Para la luz polarizada paralela a la superficie, la cantidad de luz reflejada es:

Para la luz polarizada perpendicular a la superficie, la cantidad reflejada es:

Para la luz no polarizada, la cantidad reflejada es la media de las dos:

Light Trapping Calculator


Si la luz pasa de un medio de alto índice de refracción a un medio de índice de refracción bajo, existe la posibilidad de una reflexión interna total (TIR). El ángulo en que esto ocurre es el ángulo crítico y se calcula haciendo θ2 en la ley de Snell tener un valor de 0.

Total Internal Reflection Calculator


Mediante la reflexión total interna, la luz puede quedar atrapada dentro de la célula y hacer múltiples pasadas a través de la célula, permitiendo así que incluso una célula solar delgada mantenga una longitud óptima del trayecto óptico.