La energía fotovoltaica de banda intermedia en la investigación de células solares proporciona métodos para superar el límite de Shockley-Queisser en la eficiencia de una célula. Introduce un nivel de energía de banda intermedia (IB) entre las bandas de valencia y conducción. Teóricamente, la introducción de un IB permite que dos fotones con energía menor que la banda prohibida exciten un electrón de la banda de valencia a la banda de conducción . Esto aumenta la fotocorriente inducida y, por lo tanto, la eficiencia. [1]
Luque y Marti derivaron por primera vez un límite teórico para un dispositivo IB con un nivel de energía midgap usando un balance detallado . [1] Asumieron que no se recolectaron portadores en el IB y que el dispositivo estaba bajo concentración total. [1] Descubrieron que la eficiencia máxima era del 63,2 %, para una banda prohibida de 1,95 eV con el IB de 0,71 eV desde la banda de valencia o de conducción. [1] Bajo la iluminación de un sol, la eficiencia límite es del 47%. [2]
Green y Brown ampliaron estos resultados al derivar el límite de eficiencia teórico para un dispositivo con IB infinitos. [3] Al introducir más IB, se puede utilizar incluso más espectro incidente. Después de realizar el balance detallado, encontraron que la eficiencia máxima era del 77,2%. [3] Esta eficiencia es menor que la de una celda multiunión con infinitas uniones. Esto se debe a que en las celdas de unión múltiple, los electrones se capturan exactamente después de ser excitados a un estado de mayor energía, mientras que en un dispositivo IB, los electrones aún necesitan otra transición de energía para alcanzar la banda de conducción y ser recolectados. [3]
Los IB tienen un potencial teórico para convertirse en dispositivos de alta eficiencia, pero son difíciles de fabricar. La introducción de un IB aumenta en gran medida los mecanismos de recombinación no radiativa. [4] Además, los IB deben estar parcialmente llenos para permitir el movimiento del transportista hacia y desde el IB. Esto a menudo requiere portadores de donantes. [2] Los tres métodos actuales de fabricación de dispositivos IB se describen a continuación.
El primer método consiste en introducir estructuras QD pequeñas y homogéneas en un solo dispositivo de unión. [2] Esto crea un IB, que se puede ajustar cambiando la forma y el tamaño de los QD. [5] Para que un dispositivo experimental muestre un potencial de alta eficiencia, debe demostrar que puede generar corriente a partir de la absorción de fotones de banda prohibida, al mismo tiempo que preserva el voltaje de salida del dispositivo. [5] Usando puntos cuánticos, algunos dispositivos experimentales, como InAs/GaAs, han podido hacer esto. [5] Los dispositivos de InAs/GaAs han sido capaces de producir eficiencias de hasta el 18,3 %, aunque esto sigue siendo inferior al dispositivo comparable de unión única. [6] Desafortunadamente, las estructuras QD tienen varios problemas: [2]
Por lo tanto, se necesita más investigación para fabricar dispositivos verdaderamente de alta eficiencia. Específicamente, es necesario desarrollar estructuras QD de alta densidad con una vida útil prolongada de los portadores y encontrar nuevos materiales para eliminar la necesidad de utilizar portadores de donantes para llenar el IB. [2]