Saludos mis estimados amigos de la comunidad científica #stem-espanol 

El dominio del semiconductor básico "Silicio", sobre el área de generación de energía, ha perdurado desde el año 1940 y comenzó con aproximadamente 0,5% de eficiencia de conversión de energía solar a energía eléctrica en comparación con el elemento "Selenio" que alcanzó una eficiencia del 1% en el año 1883. Desde el descubrimiento del efecto fotovoltaico y pasando por la fabricación de la primera celda solar hasta el primer semestre del año 2019, se han llevado a cabo innumerables investigaciones que van de la mano con innovaciones en las técnicas de síntesis, fabricación de los dispositivos fotovoltaicos y arreglos de configuración que buscan aumentar la eficiencia y disminuir los costos de producción de las celdas solares. En esta publicación les presentaré algunos detalles de los prototipos más estudiados. 

Para el "diseño y construcción de una celda solar" se necesitan cumplir diversos requisitos estructurales, químicos y físicos que permitan alcanzar una máxima eficiencia de conversión. Las celdas solares de Silicio han cumplido con los requerimientos básicos y son los que más ampliamente se han utilizado para generar electricidad, tanto en misiones espaciales como en el desarrollo tecnológico en todo el planeta.

Celdas solares de Silicio

Las obleas de Silicio "wafer of Si" pueden prepararse mediante técnicas de fusión directa, difusión por zonas y usando el método de Czochralski, según el grado de pureza y calidad cristalina del material policristalino o monocristalino.

Celda solar de Silicio | Autor @iamphysical

Y es que para la fabricación de una celda solar como dispositivo optoelectrónico, es requerimiento primordial la formación de una unión estructurada con material semiconductor con portadores mayoritarios de electrones y el otro material con conductividad eléctrica tipo p. Para esto se realiza el proceso de "impurificación" o dopado del silicio durante su síntesis a altas temperaturas introduciendo pequeñas cantidades de Boro para p-Si y de Fósforo para obtener n-Si. Remítase al artículo ¿Cómo se fabrican las células de Si? para obtener más información.

Configuración de una celda solar de Silicio | Autor @iamphysical

Aquí podemos observar unas microfotografías de una celda de Si y en su configuración está el contacto frontal de Plata (Ag), incorporación de Titanio (Ti) para facilitar la conducción de los portadores de carga y Silicio (Si).

¿Cuál es el punto a favor y en contra de este tipo de celda solar ?

Desde hace medio siglo, la celda de Si ha dominado el mercado mundial de generación eléctrica con el uso de sistemas fotovoltaicos y seguirá así por largo tiempo, ya que el dominio intelectual y sobre las técnicas y equipos de fabricación son ampliamente conocidos. Sin embargo, los avances en investigaciones dan lugar a la utilización, a baja escala, de otros materiales semiconductores (CdTe o CuInSe₂) y otras configuraciones (vidrio, contacto trasero metálico, material absorbente, capa "buffer", material ventana, contacto frontal), donde el espesor del material activo pasa desde 300 µm en las de Si hasta 2 µm de espesor en CuIn_0.7Ga_0.3Se₂.

Avance científico en el aumento de la eficiencia de conversión

El desarrollo de las tecnologías de fabricación de prototipos de celdas solares va desde el mejoramiento de obtención de material bulk monocristalino hasta la búsqueda de nuevas metodologías de fabricación de películas delgadas de semiconductores, lo que facilita la configuración de múltiples capas. En la siguiente gráfica podemos observar la evolución de la eficiencia de conversión de energía desde 1976 hasta 2017.

Eficiencia en celdas solares | Licencia Wikimedia

La oblea de Si con espesor de 250 µm tiene un valor de la brecha de energía EG ≈ 1,12 eV y se encuentra en el rango de máxima irradiancia solar, por lo que se ha tratado de conseguir nuevos materiales semiconductores como el CdTe (EG ≈ 1,54 eV), CuInSe₂ (EG ≈ 1,04 eV) o Cu(In,Ga)Se₂ (EG ≈ 1,04-1,67 eV) y constituye la línea de investigación que estoy desarrollando en la actualidad.

Prototipo de múltiples capas | Autor @iamphysical

Deposición de películas delgadas sobre vidrio

Una de las etapas para fabricar cualquiera de los prototipos de celdas solares pasa por el proceso de deposición de cada una de las capas constitutivas sobre un sustrato de vidrio y determinar las condiciones ideales para la deposición; pH, espesor, brecha de energía, resistividad eléctrica, incluyendo la adherencia sobre una superficie lisa o rugosa.

Deposición de películas delgadas de ZnO 4-7 µm | Autor @iamphysical

Las técnicas de deposición ya las he tratado en artículos anteriores y puedo mencionar: Inmersión Química o SILAR para ZnO, Deposición por Baño Químico para el CdS, Evaporación Térmica Convencional para CuInTe₂ o CuInSe₂, siendo el espesor de cada capa el parámetro más importante para facilitar el transporte de carga de los portadores y la transparencia ante la incidencia de la radiación solar.

Aportes de esta publicación

En mi anterior publicación, recibí 2 comentarios, uno de @carloserp-2000 y otro de @djredimi2 y lo más importante para mi fue que me sentí satisfecho de haber transmitido algunas experiencias y conocimientos sobre la Física del Estado Sólido, Física de la Materia Condensada, Semiconductores y sobre todo la componente humana del buen convivir con las demás personas, el buen trato, la ética y honestidad que nos debe caracterizar en el ámbito de nuestra vida como Científicos.

En cuanto a este artículo puedo resaltar el hecho que parte de la Investigación Científica está relacionada con la experimentación, y que esta etapa involucra las ciencias, tecnología, ingeniería, matemáticas y otras áreas del conocimiento en búsqueda de un "producto científico-tecnológico" que satisfaga las necesidades del Mundo Globalizado.

Referencias y lectura recomendada

• CIGS Thin Film Solar Cell 
• Materials and Devices NREL
• Copper Indium Gallium Selenide Solar Cells

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