¿Qué es el Hueco de Banda en las Celdas Solares?

Contenido

1. Introducción
2. ¿Qué es un Hueco de Banda?
3. ¿Por Qué es Importante el Hueco de Banda?
4. ¿Por Qué se Considera Óptimo un Hueco de Banda de 1,5 eV?
5. Hueco de Banda de Diferentes Materiales
6. Optimización del Hueco de Banda y Aplicaciones Prácticas
7. Conclusión

Introducción

El proceso de generación de electricidad mediante paneles solares depende principalmente de un paso crucial. Los electrones pasan de la banda de valencia (dentro de la unión PN del panel solar) a la banda de conducción (circuito externo, como una batería). Los electrones que residen en la banda de valencia, sin energía externa, se denominan así. Para producir electricidad, estos electrones deben trasladarse al circuito externo, conocido como banda de conducción.

Los electrones no pasan de la banda de valencia a la banda de conducción por sí mismos. Se debe proporcionar una cierta cantidad de energía (denominada hueco de banda) para facilitar esta transición.

¿Qué es un Hueco de Banda?

El hueco de banda es un concepto crítico en los materiales semiconductores, que se refiere a la energía mínima necesaria para que los electrones salten a un nivel de energía superior. Es similar a los niños que necesitan suficiente fuerza para saltar al siguiente cuadrado en el juego de la rayuela. El tamaño del hueco de banda determina el rango de longitudes de onda de fotones que un material puede absorber, lo cual es crucial para generar corriente en los paneles solares al absorber eficientemente los fotones a lo largo del espectro solar. Los tamaños variables del hueco de banda permiten que los materiales optimicen la absorción de fotones en regiones de luz de alta o baja energía, adaptándose a diversas necesidades ambientales y de aplicación.

Para los conductores, no hay hueco entre la banda de conducción y la banda de valencia, por lo que la banda de conducción está llena de electrones, lo que hace que el material sea altamente conductor. En contraste, los aislantes tienen un hueco grande entre la banda de valencia y la banda de conducción, impidiendo que los electrones en la banda de valencia salten a la banda de conducción, lo que hace que el material sea no conductor. Los semiconductores tienen un hueco de banda que está entre estos dos extremos, haciéndolos generalmente no conductores. Sin embargo, cuando se añade energía (a través de luz, calor, etc.), los electrones en la banda de valencia pueden moverse a la banda de conducción, permitiendo que el material conduzca electricidad.

¿Por Qué es Importante el Hueco de Banda?

Las celdas solares funcionan al absorber energía de la luz solar, lo que hace que los electrones salten a niveles de energía más altos, creando una corriente eléctrica. El hueco de banda determina qué partículas de energía (fotones) en la luz solar puede absorber la celda solar. Si el hueco de banda es demasiado grande, muchos fotones no tienen suficiente energía para hacer que los electrones salten. Si el hueco de banda es demasiado pequeño, la energía excedente se desperdiciará. Por lo tanto, el hueco de banda adecuado permite que las celdas solares conviertan la luz solar en electricidad de manera más eficiente.

Cuando los fotones excitan electrones cerca del hueco de banda de un semiconductor, pueden ocurrir tres situaciones:

1. Cuando la energía de un fotón es menor que la energía del hueco de banda del semiconductor, los electrones no absorben la energía del fotón, y el fotón pasa a través del semiconductor. Esto se llama pérdida de transparencia.
2. Si la energía del fotón es igual a la energía del hueco de banda del semiconductor, los electrones absorben la energía del fotón y saltan desde el máximo de la banda de valencia (VBM) hasta el mínimo de la banda de conducción (CBM). El campo eléctrico incorporado en la unión PN separa estos electrones, convirtiendo completamente la energía absorbida del fotón en energía eléctrica.
3. Si la energía del fotón es mayor que la energía del hueco de banda del semiconductor, los electrones absorben la energía del fotón y saltan a una posición más alta que el mínimo de la banda de conducción (CBM). La energía excedente se libera como calor a través de un proceso llamado relajación, conocido como pérdida por termalización. Los electrones eventualmente caen al mínimo de la banda de conducción, y el campo eléctrico incorporado los separa, convirtiendo parte de la energía del fotón en energía eléctrica.

Basado en la descripción anterior, podemos sacar las siguientes conclusiones:

1. Un hueco de banda más grande significa que más fotones de baja energía no pueden excitar a los electrones de la banda de valencia a la banda de conducción. Por lo tanto, más fotones no se absorben, lo que lleva a una mayor pérdida de transparencia. En resumen, cuanto mayor es el hueco de banda, mayor es la pérdida de transparencia. Esto se representa con la línea punteada en el gráfico de la esquina inferior izquierda a la esquina superior derecha.
2. Un hueco de banda más pequeño resulta en una mayor absorción de fotones. Sin embargo, la energía excedente de estos fotones se disipa como calor a través de procesos de relajación, aumentando la pérdida por termalización. En pocas palabras, cuanto menor es el hueco de banda, mayor es la pérdida por termalización. Esto se muestra con la línea punteada en el gráfico de la esquina superior izquierda a la esquina inferior derecha.

Al final, la eficiencia real de convertir la luz solar en electricidad, η, se puede describir como:

η = 1 - Pérdida de transparencia - Pérdida por termalización

La línea sólida en el gráfico muestra que esta eficiencia alcanza su punto máximo en el medio y disminuye en ambos extremos. Esto es fácil de entender: cuando el hueco de banda es demasiado grande, casi no se absorben fotones, resultando en casi cero eficiencia de conversión de electricidad. De manera similar, cuando el hueco de banda es demasiado pequeño, la mayor parte de la energía del fotón se pierde como calor después de ser absorbida, también llevando a una eficiencia casi nula. La eficiencia máxima ocurre en algún punto intermedio, típicamente entre 1.0 eV y 1.5 eV, como se muestra en el gráfico. Es importante notar que este gráfico puede no representar condiciones bajo el espectro AM1.5, donde un hueco de banda alrededor de 1.5 eV.

Hueco de Banda de Diferentes Materiales

1. Silicio

El silicio es uno de los materiales clave para las celdas solares convencionales. Tiene un ancho de hueco de banda de aproximadamente 1.1 electronvoltios (eV), lo que le permite convertir de manera efectiva una amplia gama de longitudes de onda de la luz solar. La eficiencia de las celdas solares basadas en silicio ha sido ampliamente validada, con pruebas de laboratorio que muestran que las celdas solares de silicio monocristalino alcanzan hasta un 26.7% de eficiencia de conversión, mientras que los productos comerciales generalmente alcanzan alrededor del 20%. Este material es adecuado para diversas condiciones de radiación solar global, ofreciendo excelente estabilidad y una larga vida útil. Los datos indican que los sistemas fotovoltaicos que utilizan celdas solares de silicio generalmente tienen una vida útil superior a los 25 años.

Desde 2008, Maysun Solar se ha dedicado a la producción de módulos fotovoltaicos de silicio de alta calidad. Maysun Solar ofrece una variedad de paneles solares TOPCon, IBC, HJT, Twisun, así como estaciones de energía solar para balcones. Estos paneles solares cuentan con un excelente rendimiento y un diseño elegante, integrándose perfectamente con cualquier edificio. Maysun Solar ha establecido exitosamente oficinas y almacenes en muchos países europeos y mantiene asociaciones a largo plazo con excelentes instaladores. ¡No dude en contactarnos para obtener las últimas cotizaciones de módulos o cualquier consulta sobre fotovoltaica! Estaremos encantados de asistirle.

2. Perovskita

Los materiales de perovskita pueden ajustar su hueco de banda mediante síntesis química, ofreciendo el potencial para mejorar la eficiencia y reducir los costos de fabricación. Típicamente, el hueco de banda de las celdas solares de perovskita varía entre 1.5 y 2.3 electronvoltios (eV), lo que les permite absorber de manera eficiente el espectro de luz visible de la luz solar. En los últimos años, estas celdas solares han visto un aumento rápido en su eficiencia, pasando de menos del 4% en 2009 a más del 25% en la actualidad. Pueden combinarse con silicio para formar celdas solares en tándem, aumentando la eficiencia general y beneficiándose de procesos de fabricación a baja temperatura que reducen significativamente los costos de producción.

Investigadores de la Universidad de Cambridge se centran en los materiales de perovskita para LEDs flexibles y celdas solares de próxima generación. Han descubierto que simplificar la secuencia de composición química puede mejorar enormemente la eficiencia y reducir los costos de producción. Actualmente, se están realizando esfuerzos para abordar los problemas de estabilidad y durabilidad ambiental, con el objetivo de facilitar su aplicación comercial a gran escala.

3. Otros Materiales

Científicos de todo el mundo están investigando materiales avanzados como seleniuro de galio y cadmio (CIGS), nitruro de galio, germanio y fosfuro de indio. Estos materiales están diseñados para ajustar de manera efectiva los límites del hueco de banda de las celdas solares de múltiples uniones, convirtiendo todo el espectro de luz solar en electricidad.

El seleniuro de galio y cadmio (CIGS) y materiales similares tienen un hueco de banda relativamente estrecho (aproximadamente 1.0 a 1.7 electronvoltios, eV), lo que les permite desempeñarse bien en condiciones de baja luz. Las celdas solares CIGS mantienen una alta eficiencia incluso en días nublados y con luz débil, lo que las hace particularmente adecuadas para condiciones ambientales específicas. Por ejemplo, en algunas partes de Europa donde la intensidad de la luz solar es más baja durante todo el año, los paneles solares CIGS muestran ventajas significativas en términos de rendimiento. En condiciones de laboratorio, las celdas solares CIGS han logrado eficiencias de conversión de hasta el 23.4%, mientras que los productos comerciales generalmente oscilan entre el 15% y el 18%. Además, los materiales CIGS son flexibles y se pueden usar para fabricar celdas solares flexibles, ofreciendo más opciones para la integración en edificios y dispositivos portátiles.

Optimización del Hueco de Banda y Aplicaciones Prácticas

La optimización del hueco de banda es una tecnología clave para mejorar el rendimiento de las celdas solares. Al ajustar con precisión el hueco de banda de los materiales, se pueden lograr mejoras significativas en la eficiencia de conversión fotovoltaica y en la versatilidad de las aplicaciones. En aplicaciones prácticas, el impacto de la optimización del hueco de banda es evidente en varios aspectos:

1. Mejora de la Eficiencia de Conversión Fotovoltaica:La optimización del hueco de banda de los materiales permite a las celdas solares absorber y convertir de manera más efectiva los fotones a lo largo del espectro solar. Por ejemplo, la tecnología de celdas solares de múltiples uniones, que utiliza materiales con diferentes huecos de banda, maximiza la absorción de diferentes longitudes de onda de luz, lo que aumenta significativamente la eficiencia global. Esta tecnología ya ha alcanzado eficiencias de laboratorio superiores al 40% en celdas solares espaciales y aplicaciones terrestres de alta eficiencia.
2. Adaptación a Diversas Condiciones Ambientales:Los materiales con diferentes huecos de banda son adecuados para diversas condiciones ambientales. Los materiales con huecos de banda más amplios, como el silicio, pueden operar de manera estable bajo una amplia gama de condiciones de radiación solar, mientras que los materiales con huecos de banda más estrechos, como el CIGS, sobresalen en condiciones de baja luz. A través de la optimización del hueco de banda, las celdas solares pueden diseñarse para adaptarse a diferentes climas y condiciones de luz, mejorando su aplicabilidad a nivel mundial.
3. Reducción de Costos de Fabricación:La optimización del hueco de banda no solo mejora la eficiencia, sino que también reduce los costos de producción mediante innovaciones en materiales y procesos. Por ejemplo, los materiales de perovskita exhiben excelentes capacidades de ajuste del hueco de banda y procesos de fabricación rentables, con un rápido progreso en la comercialización. Optimizar el hueco de banda puede facilitar procesos de fabricación más eficientes, reduciendo el costo por vatio y mejorando la competitividad en el mercado.
4. Impulso al Desarrollo de Nuevos Materiales Fotovoltaicos:Las técnicas de optimización del hueco de banda están impulsando el desarrollo de nuevos materiales fotovoltaicos, como los perovskitas de haluros orgánico-inorgánicos y los materiales de puntos cuánticos. Estos nuevos materiales, con huecos de banda ajustados con precisión, demuestran una mayor eficiencia y un potencial de aplicación más amplio. En el futuro, se espera que estas tecnologías permitan aplicaciones innovadoras, como dispositivos fotovoltaicos portátiles y sistemas fotovoltaicos integrados en edificios.

Conclusión

En conclusión, la optimización del hueco de banda juega un papel crucial en las aplicaciones prácticas al no solo mejorar la eficiencia de las celdas solares, sino también al mejorar su adaptabilidad, reducir los costos e impulsar el desarrollo de nuevas tecnologías. Con los continuos avances en la ciencia de materiales y los procesos de fabricación, la optimización del hueco de banda impulsará aún más la adopción generalizada y el avance de la tecnología solar, sentando las bases para el futuro de la energía renovable global.

Referencia:

Células solares: A Guide to Theory and Measurement. (sin fecha). Ossila. https://www.ossila.com/pages/solar-cells-theory

¿Por qué son tan ineficientes las células solares? (n.d.-c). http://m.myjizhi.com/1000000000665023

Niclas. (2024, 22 de febrero). Brecha de banda energética de las células solares. Sinovoltaics (Oficina de Hong Kong). https://sinovoltaics.com/learning-center/solar-cells/energy-band-gap-of-solar-cells/

Explicado: Bandgap. (2010, 23 de julio). MIT News | Instituto Tecnológico de Massachusetts. https://news.mit.edu/2010/explained-bandgap-0723

Más información: