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Principios de diseño de la Célula Solar

El diseño de la célula solar implica especificar los parámetros de una estructura de célula solar con el fin de maximizar la eficiencia, dado un determinado conjunto de restricciones. Estas limitaciones son definidas por el entorno en el que se producen las células solares. Por ejemplo, en un entorno comercial en donde el objetivo es producir una célula solar a precios competitivos, el coste de fabricación de una estructura de célula solar en particular debe ser tomada en consideración. Sin embargo, en un entorno de investigación donde el objetivo es producir una célula de tipo laboratorio altamente eficiente, maximizar la eficiencia en lugar del coste, es la consideración principal.

evolution of sc efficiency

Evolución de la eficiencia de la célula solar de silicio.

La eficiencia teórica para la conversión fotovoltaica es de más de 86,8% 1. Sin embargo, la cifra de 86,8% utiliza los cálculos de balance detallados y no describe la implementación del dispositivo. Para las células solares de silicio, una eficiencia más realista bajo operación de un sol es de aproximadamente 29% 2. La eficiencia máxima medida para una célula solar de silicio es actualmente 24,7% bajo AM1.5G. La diferencia entre las altas eficiencias teóricas y las eficiencias de medidas a partir de las células solares terrestres se debe principalmente a dos factores. El primero es que las predicciones de eficiencia máximos teóricos asumen que la energía de cada fotón se utiliza de manera óptima, que no hay fotones no absorbidos y que cada fotón es absorbido en un material que tiene un intervalo de banda igual a la energía del fotón. Esto se consigue en teoría mediante el modelado de una pila infinita de células solares de diferentes materiales de banda prohibida, cada uno absorbiendo sólo los fotones que corresponden exactamente a su intervalo de banda.

El segundo factor es que las altas predicciones de eficiencia teórica asumen una relación de alta concentración. Suponiendo que la temperatura y los efectos resistivos no dominaran en una célula solar de concentración, aumentando la intensidad de la luz proporcionalmente se aumenta la corriente de cortocircuito. Dado que el voltaje de circuito abierto (Voc) también depende de la corriente de cortocircuito, Voc aumenta logarítmicamente con el nivel de luz. Además, puesto que el factor de llenado máximo (FF) aumenta con Voc, el FF máxima posible también aumenta con la concentración. El extra Voc y FF aumentan con la concentración permitiendo  a los concentradores lograr una mayor eficiencia.

En el diseño de este tipo de células solares de unión simple, los principios para maximizar la eficiencia de la célula son:

  • aumentar la cantidad de luz recogida por la célula que se convierte en portadores;
  • aumentar la colección de portadores generados por luz en la unión p-n;
  • reducir al mínimo la polarización directa de corriente oscura;
  • la extracción de la corriente de la célula sin pérdidas resistivas.