El efecto Staebler-Wronski (SWE) se refiere a cambios metaestables inducidos por la luz en las propiedades del silicio amorfo hidrogenado .
La densidad de defectos del silicio amorfo hidrogenado (a-Si: H) aumenta con la exposición a la luz, provocando un aumento en la corriente de recombinación y reduciendo la eficiencia de la conversión de la luz solar en electricidad .
Fue descubierto por David L. Staebler y Christopher R. Wronski en 1977. Demostraron que la corriente oscura y la fotoconductividad del silicio amorfo hidrogenado pueden reducirse significativamente mediante una iluminación prolongada con luz intensa. Sin embargo, al calentar las muestras por encima de 150 ° C, podrían revertir el efecto. [1]
Explicación
Algunos resultados experimentales
- La fotoconductividad y la conductividad oscura disminuyen rápidamente al principio antes de estabilizarse a un valor más bajo.
- Las interrupciones en la iluminación no tienen ningún efecto sobre la tasa de cambio subsiguiente. Una vez que la muestra se ilumina de nuevo, la fotoconductividad caerá como si no hubiera ninguna interrupción.
Explicaciones sugeridas
La naturaleza exacta y la causa del efecto Staebler-Wronski aún no se conocen bien. El silicio nanocristalino sufre menos del efecto Staebler-Wronski que el silicio amorfo, lo que sugiere que el desorden en la red de silicio amorfo Si juega un papel importante. Otras propiedades que podrían influir son la concentración de hidrógeno y su complejo mecanismo de enlace, así como la concentración de impurezas.
Históricamente, el modelo más favorecido ha sido el modelo de conmutación de enlaces de hidrógeno. [2] Propone que un par electrón-hueco formado por la luz incidente puede recombinarse cerca de un enlace Si-Si débil, liberando energía suficiente para romper el enlace. Un átomo de H vecino forma un nuevo enlace con uno de los átomos de Si, dejando un enlace colgante . Estos enlaces colgantes pueden atrapar pares de agujeros de electrones, reduciendo así la corriente que puede pasar. Sin embargo, nueva evidencia experimental está poniendo en duda este modelo. Más recientemente, el modelo de colisión H propuso que dos eventos de recombinación separados espacialmente causan la emisión de hidrógeno móvil de enlaces Si-H para formar dos enlaces colgantes, con un estado H emparejado metaestable que une los átomos de hidrógeno en un sitio distante. [3]
Efectos
La eficiencia de una célula solar de silicio amorfo suele disminuir durante los primeros seis meses de funcionamiento. Esta caída puede oscilar entre el 10% y el 30%, según la calidad del material y el diseño del dispositivo. La mayor parte de esta pérdida proviene del factor de llenado de la celda. Después de esta caída inicial, el efecto alcanza un equilibrio y causa poca degradación adicional. El nivel de equilibrio cambia con la temperatura de funcionamiento, de modo que el rendimiento de los módulos tiende a recuperarse algo en los meses de verano y vuelve a caer en los meses de invierno. [4] La mayoría de los módulos de a-Si disponibles comercialmente tienen una degradación de SWE en el rango del 10 al 15% y los proveedores suelen especificar la eficiencia en función del rendimiento después de que la degradación de SWE se ha estabilizado. En una celda solar de silicio amorfo típica, la eficiencia se reduce hasta en un 30% en los primeros 6 meses como resultado del efecto Staebler-Wronski, y el factor de llenado cae de más de 0,7 a aproximadamente 0,6. Esta degradación inducida por la luz es la principal desventaja del silicio amorfo como material fotovoltaico . [5]
Métodos para reducir el SWE
- Usar silicio nanocristalino en lugar de silicio amorfo
- Operando a una temperatura más alta. Esto se puede lograr integrando la fotovoltaica en un colector solar híbrido térmico fotovoltaico (PVT).
- Apilar una o más capas más delgadas de silicio amorfo junto con otros materiales para formar una célula solar multifuncional . [6] El campo eléctrico más alto que se aplica en las capas más delgadas parece reducir el SWE.
Referencias
- ^ Staebler, DL; Wronski, CR (1977). "Cambios de conductividad reversibles en Si amorfo producido por descarga". Letras de Física Aplicada . 31 (4): 292. Código bibliográfico : 1977ApPhL..31..292S . doi : 10.1063 / 1.89674 . ISSN 0003-6951 .
- ^ Kołodziej, A. (2004). "Efecto Staebler-Wronski en silicio amorfo y sus aleaciones" . Revisión de optoelectrónica . 12 (1): 21–32 . Consultado el 31 de octubre de 2015 .
- ^ Branz, Howard M. (15 de febrero de 1999). "Modelo de colisión de hidrógeno: descripción cuantitativa de la metaestabilidad en silicio amorfo". Physical Review B . Sociedad Estadounidense de Física (APS). 59 (8): 5498–5512. Código Bibliográfico : 1999PhRvB..59.5498B . doi : 10.1103 / physrevb.59.5498 . ISSN 0163-1829 .
- ^ Uchida, Y y Sakai, H. Efectos inducidos por la luz en a-Si: películas H y células solares, Mat. Res. Soc. Symp. Proc., Vol. 70,1986
- ^ Nelson, Jenny (2003). La física de las células solares . Prensa del Imperial College.
- ^ Efecto Staebler-Wronski en PV de silicio amorfo y procedimientos para limitar la degradación Archivado el 6 de marzo de 2007 en la Wayback Machine , EY-1.1: 28 de octubre de 2005, Benjamin Strahm, Ecole Polytechnique Fédérale de Lausanne, Centre de Recherches en Physique des Plasmas Diapositivas)