A medida que la sociedad avanza hacia un futuro de energía renovable, es crucial que los paneles solares conviertan la luz en electricidad de la manera más eficiente posible. Algunas células solares de última generación están cerca del máximo teórico de eficiencia, y los físicos de la Universidadde Utah y Helmholtz-Zentrum Berlin han descubierto una manera de mejorarlos.
En un nuevo estudio, los físicos utilizaron una técnica conocida como espectroscopia de ruido de correlación cruzada para medir fluctuaciones minúsculas en la corriente eléctrica que fluye entre los materiales dentro de las células solares de silicio. Los investigadores identificaron señales de ruido eléctrico cruciales que son completamente invisibles para los métodos convencionales de medición de ruido.También pudieron identificar los procesos físicos probables que causan el ruido, que a menudo resulta en una pérdida de energía y una menor eficiencia.
"Medir el ruido en un objeto es relativamente simple. Puedes comprar dispositivos que lo hagan. Pero el problema que nos molesta es que estos dispositivos también tienen ruido", dijo Kevin Davenport, instructor asociado de física en la U y autor principal"Esta técnica de correlación cruzada nos permite no solo medir el ruido del dispositivo, sino también medir el ruido de nuestro detector y eliminarlo para que podamos ver señales de ruido mucho, mucho más pequeñas".
La técnica, que se publicó el 24 de junio en la revista Informes científicos , es una nueva herramienta importante para mejorar las interfaces de materiales para una mejor celda solar, o para analizar ineficiencias en otros dispositivos complicados.
"Es sorprendente lo importantes que son las pequeñas mejoras en la eficiencia para la industria. Solo una fracción de un porcentaje de mejora se traduce en miles de millones de dólares debido a la escala de producción", dijo el coautor Klaus Lips, profesor de física en Freie Universität Berlin yjefe de departamento en Helmholtz-Zentrum Berlin, donde se han diseñado y fabricado las células solares.
"En el pasado, hemos utilizado la técnica de correlación cruzada para estudiar diodos emisores de luz de grado de investigación bastante simples, pero las ventajas del método realmente salieron a la luz en este trabajo", dijo Andrey Rogachev, profesor de física en elU y coautor del estudio. "Y va más allá de la industria solar. En cualquier dispositivo con muchas capas, cada interfaz entre materiales puede disminuir la eficiencia de alguna manera. Es tan complicado que hay que ser realmente discreto para poderdecir qué está pasando y, lo que es más importante, dónde está ocurriendo el ruido en particular. Resulta que esta técnica nos permite hacer precisamente eso ".
Como sucede a menudo en la investigación moderna, un solo método no era suficiente para comprender dispositivos complejos. La interpretación de la fecha de ruido se ha visto muy facilitada por las simulaciones de células solares realizadas por CT Trinh, investigador postdoctoral en Helmholtz-Zentrum Berlin y co-autor del estudio. El coautor final es Mark Hayward, entonces investigador de pregrado en la U y ahora estudiante de posgrado en la Universidad de California, Irvine.
Analizando ruido
El estudio analizó las células solares de heterounión de silicio HSC, un tipo de célula solar de un solo material de gama alta y actualmente la más eficiente de su tipo en el mercado: el 26,7% de la luz que llega a la célula se convierte en electricidad.Por el contrario, las células que componen los paneles solares en una casa residencial tienen una eficiencia de entre el 15% y el 20%.
En un HSC, la generación de electricidad comienza cuando las partículas individuales de luz llamadas fotones son absorbidas por la capa fotoactiva hecha de silicio cristalino y crea pares de electrones cargados negativamente y huecos cargados positivamente, que son cargas causadas por electrones faltantes. Electrones ylos agujeros se tiran en direcciones opuestas por un campo eléctrico creado por dos contactos selectivos hechos de silicio amorfo hidrogenado modificado con impurezas. Este proceso produce corriente que usamos como electricidad. El problema es que el electrodo selectivo y el silicio fotoactivo no coincidenjuntos perfectamente, creando defectos que atrapan electrones. Para eliminar estos defectos en células solares de grado de investigación como las del estudio, los científicos colocan entre ellos una capa ultrafina de silicio amorfo puro. Finalmente, todas estas cinco capas se intercalan entre doscapas de material conductor transparente, conocido como ITO, y electrodos de oro.
La eficiencia de las HSC depende de qué tan bien estén conectadas las diferentes capas entre sí. Un ligero desajuste entre dos capas puede dificultar que los electrones lleguen a donde deben ir, un problema que producirá una señal de ruido.
"Ese problema está escondido dentro de estas interfaces, y es realmente difícil poder detectar cualquier tipo de señal. Pero la técnica de ruido que usamos es muy sensible a señales individuales realmente pequeñas", dijo Davenport.como escuchar una nota tocada por diferentes instrumentos, continuó. Una nota C en un violín es lo mismo que una nota C en un violonchelo, pero suenan diferente. Si analizas esa nota, puedes extraer informaciónpara aprender algo sobre el instrumento que lo produjo, como la longitud o el material de las cuerdas.
"Hacemos algo similar a eso. Vemos este amplio espectro de diferentes señales de ruido y diferentes posiciones a lo largo del eje de frecuencia. Podemos decir, 'Está bien, esta parte de la nota que vemos, la podemos atribuir a este proceso físicoy esta parte es un proceso físico diferente '", dijo Davenport." Pero el dispositivo está lleno de estos procesos que generan ruido y es realmente difícil desenredarlos, como sacar una sola voz en un coro de 200 personas. Esta técnica nos permite eliminar gran parte de la parte no deseada de la señal ".
Mapeo de ineficiencias
Los HSC de silicio son excelentes tal como son, pero aún tienen límites. La nueva técnica del equipo de investigación identificó áreas clave en el dispositivo donde procesos físicos específicos están produciendo señales eléctricas. En el futuro, pequeños ajustes en estas etapas podrían mejorar la eficienciade estas células, y las células solares del futuro. Después de examinar la cacofonía eléctrica para descubrir las señales relevantes, los físicos ejecutaron una simulación para identificar qué procesos físicos estaban sucediendo en la ubicación de la señal.
La próxima generación de células solares se conocen como células en tándem, que son pilas de diferentes materiales fotovoltaicos que son sensibles a una parte diferente de la luz del sol, lo que le da a dicho dispositivo la capacidad de generar más energía. Una capa de dispositivo propuesta esel material de perovskita hot-ticket.
"Juntos, la nueva celda solar puede romper el límite del dispositivo de silicio por sí misma, más allá del 30% de eficiencia", dijo Lips.
En este borde de la eficiencia, las pequeñas pérdidas son importantes. Los científicos de materiales han observado una de esas pérdidas; la deposición del ITO transparente modifica de alguna manera las capas de silicio subyacentes, creando defectos que reducen la eficiencia del dispositivo. Una de las principales señales de ruido eléctricoque los investigadores identificaron en este estudio fue en esta interfaz, donde las cargas quedan atrapadas y liberadas. Otra señal importante ocurrió cuando los agujeros atravesaron una barrera similar en la parte posterior del dispositivo.
"La capacidad de detectar estas señales significa que podemos comprender sus fuentes y mitigarlas", dijo Davenport.
La investigación en la Universidad de Utah fue apoyada por NSF y en Helmholtz-Zentrum por DFG.
Fuente de la historia :
Materiales proporcionado por Universidad de Utah . Original escrito por Lisa Potter. Nota: el contenido se puede editar por estilo y longitud.
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