La eficiencia solar, más específicamente la eficiencia de las células solares se relaciona con la porción de energía en forma de luz solar que puede convertirse a través de la energía solar mediante energía fotovoltaica.
Esquema de captación de carga por células solares
La luz se transmite a través de un electrodo conductor transparente que crea pares de agujeros de electrones, que son recolectados por ambos electrodos.
La eficiencia de absorción y recolección de una célula solar dependen del diseño de los conductores transparentes y el espesor de la capa activa.
Varios factores afectan el valor de la eficiencia de conversión de una celda, incluida la eficiencia de:
- reflectancia
- termodinámica
- separación del portador de carga
- recolección del portador de carga
- valores de eficiencia de conducción.
Debido a que estos parámetros pueden ser difíciles de medir directamente, en su lugar se miden otros parámetros, que incluyen la eficiencia cuántica, la relación de voltaje de circuito abierto (COV) y el factor de relleno (descrito a continuación).
Las pérdidas por reflectancia se explican por el valor de eficiencia cuántica, ya que afectan a la «eficiencia cuántica externa». Las pérdidas por recombinación se explican por los valores de eficiencia cuántica, relación de COV y factor de llenado.
Por su parte, las pérdidas resistivas se explican predominantemente por el valor del factor de relleno, pero también contribuyen a la eficiencia cuántica y los valores de la relación de COV.
Cómo mejorar la eficiencia solar
Elección óptima del conductor transparente
El lado iluminado de algunos tipos de células solares, las películas delgadas, tienen una película conductora transparente que permite que la luz entre en el material activo y recoja los portadores de carga generados.
Por lo general, para este propósito se utilizan películas con alta transmitancia y alta conductancia eléctrica, como el óxido de indio y estaño, los polímeros conductores o las redes de nanocables conductores.
Existe una compensación entre la alta transmitancia y la conductancia eléctrica, por lo que debe elegirse la densidad óptima de los nanocables conductores o la estructura de la red conductora para una alta eficiencia.
Promover la dispersión de la luz en el espectro visible
Alinear la superficie de recepción de luz de la celda con pernos metálicos de tamaño nanométrico puede aumentar sustancialmente la eficiencia de la celda.
La luz se refleja en estos montantes en un ángulo oblicuo a la celda, lo que aumenta la longitud del recorrido de la luz a través de la celda.
Esto aumenta el número de fotones absorbidos por la célula y la cantidad de corriente generada.
Enfriamiento radiativo
Un aumento en la temperatura de la célula solar de aproximadamente 1°C provoca una disminución de la eficiencia de aproximadamente el 0,45%.
Para evitar esto, se puede aplicar una capa de cristal de silicio transparente a los paneles solares. La capa de silicio actúa como un cuerpo negro térmico que emite calor como radiación infrarroja al espacio, enfriando la celda hasta 13°C.
Revestimientos y texturas antirreflectantes
Los recubrimientos antirreflectantes podrían resultar en una interferencia más destructiva de las ondas de luz incidente del sol. Por lo tanto, toda la luz solar sería transmitida al panel fotovoltaico.
La texturización, en la cual la superficie de una célula solar se altera de modo que la luz reflejada golpee nuevamente la superficie, es otra técnica utilizada para reducir la reflexión. Estas superficies se pueden crear mediante grabado o mediante litografía.
Agregar una superficie plana posterior además de texturizar la superficie frontal ayuda a atrapar la luz dentro de la celda, proporcionando así un camino óptico más largo.
Pasivación posterior de la superficie
Se han realizado muchas mejoras en la parte frontal de las células solares producidas en serie, pero la superficie posterior de aluminio impide las mejoras de eficiencia.
La eficiencia de muchas células solares se ha beneficiado al crear el llamado emisor pasivado y las células traseras (PERC).
La deposición química de una pila de capas de pasivación dieléctrica de la superficie posterior que también está hecha de una delgada película de silicio o de óxido de aluminio cubierta con una película de nitruro de silicio ayuda a mejorar la eficiencia en las células solares de silicio en más del 1%.
Esto ayuda a aumentar la eficiencia de la celda para el material de oblea de Cz-Si comercial a 20.2% y la eficiencia de la celda para casi mono-Si a un récord de 19.9%.
Materiales de película delgada
Los materiales de película delgada son muy prometedores para las células solares en términos de bajos costes y adaptabilidad a las estructuras y tecnologías existentes en la actualidad.
Dado que los materiales son tan delgados, carecen de la absorción óptica de las células solares de material a granel.
Se han intentado corregir esto, lo más importante es la recombinación de la superficie de la película delgada.
Dado que este es el proceso de recombinación dominante de las células solares de película delgada a nanoescala, es crucial para su eficiencia.
Agregar una capa delgada pasavante de dióxido de silicio podría reducir la recombinación.
