Celdas solares basadas en heteroestructuras cuánticas

Abstract

Las celdas solares de alta eficiencia son de interés para disminuir aún más el costo de la energía solar. Los enfoques para las celdas fotovoltaicas de ultra alta eficiencia, pre- sentados en esta Tesis, consisten en una celda solar p-i-n con un sistema de múltiples pozos cuánticos (QW) o superredes (SL) insertados en la región intrínseca. La absor- ción de fotones se incrementa a energías inferiores a la banda prohibida del material volumétrico. Se desarrolla un modelo de celdas solares basadas en pozos cuánticos con balance de tensiones (SB-QWSC), junto con un diseño de alta eficiencia para un dispositivo GaAsP/InGaAs/GaAs. Mediciones experimentales de eficiencia cuántica y corriente oscura son comparados con los cálculos teóricos en presencia de tensión, obteniéndose una buena similitud. Se examina la influencia de la emisión radiativa anisotrópica y el reciclaje de fotones en el rendimiento de la SB-QWSC. El diseño de la SB-QWSC se optimizó para lograr eficiencias de una sola homounión, superiores al 30 %. Se presenta un nuevo tipo de dispositivo fotovoltaico donde se insertan SL gaussianas en la región i de una celda solar p-i-n de GaAs/GaInNAs. Se desarrolla un modelo teórico para estudiar el rendimiento de estos dispositivos. Se establece un nuevo criterio para calcular los anchos de minibanda en heteroestructuras de superredes en presencia de campo eléctrico. Los resultados muestran que estos dispositivos podrían alcanzar mayores eficiencias de conversión que la celda solar de homounión. Se presenta un enfoque nuevo para evaluar la densidad de estados en sistemas cuasi- bidimensionales, que une la densidad de estados (DOS) en la dirección de confinamiento con la DOS bidimensional en el plano, algo totalmente novedoso. Aplicando la opera- ción de convolución, se ha propuesto una expresión matemática exacta que combina directamente las funciones DOS de la banda de valencia y de la banda de conducción para generar una densidad conjunta de estados para transiciones directas. Se calcula el coeficiente de absorción para QW y SL, obteniéndose una buena concordancia con los datos experimentales. Una descripción más completa de la absorción física se logra con este nuevo enfoque. Como primer paso en el diseño de una nueva propuesta para una celda solar nanoestruc- turada, se demuestra cómo la corriente de tunelaje puede amplificarse en un dispositivo formado por una heteroestructura vertical de grafeno/h-BN. La concentración de im- purezas de las capas de grafeno está diseñada de tal manera que los puntos de Dirac se alinean para lograr una amplificación de la corriente de tunelaje resonante. Se deri- van expresiones analíticas y numéricas para las características de corriente-voltaje. Se discute el efecto de la heteroestructura y la alineación rotacional sobre la corriente del tunelaje. Se presentan los cálculos de densidad de fotocorriente para una capa de grafeno, en el que se consideran los múltiples portadores calientes producidos por procesos de impacto- excitación que envuelven a un portador fotoexcitado inicial. Tanto el número de pares e-h secundarios producidos como la densidad de fotocorriente son muy sensibles al dopaje.