Diseño y optimización de novedosas celdas solares basadas en nanoestructuras cuánticas

Resumen

Antecedentes

Este es un trabajo de continuación en busca de diseñar celdas solares de alta eficiencia. El autor principal ha obtenido cinco premios ACC, pero sólo dos están relacionados con heteroestructuras cuánticas, el último Premio ACC fue en e 2012. Sin embargo, en esta opción se presentan trabajos originales que enriquecen lo previo.

En esta presentación nosotros estudiamos la emisión anisotrópica y el reciclaje fotónico en  celdas solar nanoestructuradas con confinamiento cuántico y balance de tensiones.La anisotropía se manifiesta como consecuencia del desdoblamiento de la banda de valencia debido a las compresiones que ocurren en los pozos cuánticos lo que elimina transiciones que contribuyen a la emisión. Nosotros investigamos tanto la emisión polarizada al plano que contiene al pozo cuántico (TM) la cual está exclusivamente acoplada al hueco ligero así como a la polarización en el plano del pozo cuántico (TE) que se encuentra asociada al hueco pesado. Se encontró por primera vez que la razón de emisión espontánea tanto la TM como la TE incrementan cuando el pozo cuántico se crece más profundo. Demostramos que la adición de un reflector de Braga distribuido puede incrementar la fotocorriente y disminuir las pérdidas por recombinación radiativa. Nosotros hemos examinado el impacto del reciclaje fotónico sobre el rendimiento de una celda solar nonoestructurada con balance tensiones y hemos encontrado que pueden alcanzarse eficiencias superiores al 30%.

En aras de encontrar una nueva forma para calcular el coeficiente de absorción en nanoestructuras, en particular superredes, nosotros presentamos una nueva aproximación para evaluar la densidad de estados para sistemas cuasi-dimensionales, que vincula  la densidad de estados confinados con la densidad de estados en el plano perpendicular. Usando el operador de convolución, encontramos una exacta expresión matemática que relaciona directamente las densidades de estado de las bandas de valencia y conducción conllevando una “joint density of states” para transiciones directas. Cuando se consideran semiconductores de baja dimensionalidad, otra expresión fue encontrada para la densidad de estados de los electrones y huecos que puede ser calculada mediante operaciones de convolución entre la dirección de confinamiento  y el plano perpendicular. Usando ambas expresiones originales, pudimos calcular el coeficiente de absorción para pozos cuántico y superredes, pudiéndose extender a hilos y puntos cuánticos. Un resultado remarcable se obtuvo al encontrar que la JDOS de un pozo cuántico no es una función de paso, como ha estado reportado en los libros de texto. 

Nuestro grupo fue el primero que estudió la viabilidad de celdas solares con superredes en la región intrínseca para celdas solares p-i-n de GaAs/GaInNAs. Sin embargo, en los primeros trabajos observamos que el rendimiento de la celda solar era muy sensible al campo eléctrico interno. Por ello se decidió utilizar superredes gaussianas,  las cuales tienen excelentes característica ya que el espectro de transmisión posee bandas de transparencia casi perfectas separadas por bandas donde no hay en absoluto transmisión. Por otra parte este arreglo aumenta la probabilidad de escape de electrones y huecos desde la superred. En la literatura se utiliza para calcular el ancho de la semibanda, que se genera en la superred, tanto el Método de la Matriz Transferencia  (TMM) como el modelo de Kronig-Penny con simple potencial. Estas dos aproximaciones coinciden en resultados. Pero cuando hay campo eléctrico, entonces los resultados reportados difieren. Nosotros demostramos que el método TMM es el válido. Optimizando el ancho de la minibanda obtuvimos resultados de incremento de la eficiencia superiores a una celda solar de homounión con mucho menos sensibilidad al campo eléctrico interno.

Investigamos sustituir las superredes por capas de grafeno, con la certeza que la absorción de fotones será mayor. En la literatura reciente se han publicado dispositivos que contemplan una sola capa de grafeno entre dos barreras de h-BN. Pero para ser sustituida las superredes es necesario tener varias heteroestructuras de grafeno/h-BN. El problema entonces es establecer las condiciones para que ocurra la corriente de tunelaje. Para ello, diseñamos un dispositivo tal que la concentración de las diferentes capas de grafeno  permitiera la alineación de los puntos de Dirac y entonces alcanzar la resonancia en la corriente de tunelaje. Nosotros encontramos por primera vez expresiones analíticas y numéricas para la característica I-V de la heteroestructura. Demostramos como la corriente de tunelaje es fuertemente amplificada en un dispositivo compuesto por heteroestructuras de grafeno/h-BN. Se discutió el efecto del alineamiento de las capas de grafeno en el rendimiento del dispositivo. También encontramos que la razón de transición entre las capas de grafeno es mayor para estados por encima del punto de Dirac, conclusió que conlleva a utilizar preferentemente capas de grafeno dopadas n.