El efecto fotovoltaico de dos fotones ( efecto TPP) es un método de captación de energía basado en la absorción de dos fotones (TPA). El efecto TPP se puede considerar como el equivalente no lineal del efecto fotovoltaico tradicional que implica altas intensidades ópticas. Este efecto se produce cuando se absorben dos fotones al mismo tiempo, lo que da como resultado un par electrón-hueco .
Fondo
El TPA es típicamente varios órdenes de magnitud más débil que la absorción lineal a bajas intensidades de luz. Se diferencia de la absorción lineal en que la tasa de transición óptica debida al TPA depende del cuadrado de la intensidad de la luz, por lo que es un proceso óptico no lineal y puede dominar la absorción lineal a altas intensidades. Por lo tanto, la disipación de potencia del TPA y la dispersión de portadora libre resultante son problemas dañinos en los dispositivos semiconductores que operan en base a interacciones ópticas no lineales como los efectos Kerr y Raman , cuando se trata de altas intensidades. Se estudia el efecto TPP como posible solución a esta doble crisis de eficiencia energética.
Aunque en el pasado se han realizado algunas mejoras e investigaciones teóricas sobre el terreno, la aplicación concreta del efecto fue analizada numérica y experimentalmente por primera vez por Bahram Jalali y sus colegas en 2006 en Silicon . [1]
Física
Los dispositivos de efecto TPP se basan en guías de ondas con diodos de unión p – n laterales , en los que la potencia de la bomba se pierde de forma no lineal debido a TPA y absorción de portador libre (FCA) a lo largo de la dirección z, perpendicular a la sección transversal de la unión xy.
La intensidad óptica acoplada se rige por la siguiente ecuación:
( 1 )
dónde:
- α es el coeficiente de absorción lineal;
- β el coeficiente TPA;
- y α FCA se denomina coeficiente FCA que viene dado por la expresión de Soref.
La tasa de fotogeneración de portadores se define por:
donde E p es la energía del fotón y el factor se debe al hecho de que hay dos fotones involucrados en el proceso.
Fotocorriente por unidad de longitud: , dónde es el área efectiva de la guía de ondas yq es la carga del electrón. Para una guía de ondas de longitud L , tenemos
Definimos como la intensidad de la bomba acoplada en . Por tanto, obtenemos la siguiente expresión:
( 2 )
Esta última expresión se denomina longitud efectiva que es el equivalente no lineal a la longitud de interacción definida en fibras ópticas . También se debe considerar la contribución a la inyección del portador y la recombinación a la corriente total para que la corriente total del fotodiodo se exprese como: [2]
( 3 )
La ecuación de Shockley da I – V (corriente-voltaje) característica de un diodo idealizado: [3]
( 4 )
El valor de se denomina corriente de saturación de polarización inversa y se define por: [3]
donde h y L se definen en la Fig. 1 y los parámetros restantes tienen el significado habitual definido en la referencia Física de dispositivos semiconductores de Sze . [3]
La ecuación de Shockley es válida ya que la fotogeneración en las regiones dopadas con N y P es insignificante en el diodo p – n. Esto contrasta con la teoría convencional de las células solares, donde la fotogeneración ocurre predominantemente en las regiones dopadas con N y P [4], como se muestra en la Fig. 2.
Debido a la estructura del PIN (Figura 2) tenemos que tener en cuenta la corriente de recombinación que aproximamos por la recombinación Shockley-Read-Hall dada por:
( 5 )
dónde se define en la figura 1, es la densidad de portadores efectiva a lo largo de y y son los tiempos de vida de recombinación en masa de electrones y huecos, respectivamente.
En un circuito, la disipación de potencia se refiere a la velocidad a la que se pierde energía debido a elementos resistivos y se define tradicionalmente de la siguiente manera:
( 6 )
Ahora definimos la eficiencia de recolección, que es la cantidad de portadores / fotones consumidos por TPA: [4]
( 7 )
Esto es apropiado para dispositivos tales como amplificadores y convertidores de longitud de onda donde la recolección de energía es un subproducto útil pero no la funcionalidad principal del dispositivo en sí. Si el efecto TPP está destinado a ser utilizado en una celda fotovoltaica, entonces la eficiencia energética debería ser considerado.
Primero, la eficiencia cuántica externa viene dada por , dónde se refiere a la eficiencia de acoplamiento de la luz en la guía de ondas y
que se puede aproximar a:
Finalmente, la eficiencia energética viene dada por:
( 8 )
Banda intermedia
Las células solares convencionales se basan en transiciones de un fotón entre la valencia (VB) y la banda de conducción (CB) de un semiconductor . El uso de un estado intermedio en la banda prohibida fue descrito por primera vez por Luque y Martí en 1997. [5] Demostraron que con la adición de un nivel intermedio al diagrama de bandas de una celda solar, el límite de eficiencia teórico se puede mejorar para bien más allá del modelo Shockley-Queisser [6] . Esta mejora es posible mediante la captura de fotones sub-bandgap. La presencia de una banda intermedia permitirá la absorción de dichos fotones dando como resultado la generación de pares de electrones-huecos, que se suman a los creados por transiciones ópticas directas. En dos excitaciones de electrones independientes, los fotones se absorben con transiciones de valencia (VB) a banda intermedia (IB) y de intermedia (IB) a banda de conducción (VB). Para lograr resultados óptimos, todos los dispositivos y procesos se suponen ideales, ya que las condiciones asociadas incluyen movilidad infinita del portador , absorción total de los fotones deseados, llenado parcial del IB para donar y recibir electrones y ninguna posibilidad de extraer corriente del IB. . En este marco, se ha calculado que la eficiencia límite de una célula solar de banda intermedia (IBSC) es del 63,1%.
La presencia de una banda intermedia puede ser el resultado de varias técnicas, pero más notablemente de la introducción de impurezas en la estructura cristalina. Se sabe que múltiples elementos de tierras raras producen los estados requeridos entre bandas en un material semiconductor de esta manera. El aumento de la concentración de tales impurezas conduce a la posibilidad de dar forma a una banda intermedia, como se demuestra en las aleaciones de GaAs. Una alternativa interesante es el uso de la tecnología de puntos cuánticos . Una célula solar puede diseñarse para incluir una región de una estructura de punto cuántico que induce el estado confinado deseado. En 2001, Martí et al. propuso un método factible para cumplir con la condición de una banda medio llena. [7] Todavía hay una investigación activa sobre qué materiales demuestran las características deseadas, así como la síntesis de dichos materiales.
Martí et al. Demostraron por primera vez que el funcionamiento básico de un dispositivo IBSC es eficaz en la producción de una fotocorriente. en 2006. [8]
Materiales
Los materiales semiconductores son tan relevantes debido al hecho de que sus propiedades conductoras pueden alterarse de manera útil al introducir impurezas ("dopaje") en la estructura cristalina. Cuando existen dos regiones dopadas de manera diferente en el mismo cristal, se crea una unión semiconductora. El desarrollo de estas uniones es la base de diodos, transistores y toda la electrónica moderna. Ejemplos de semiconductores son silicio, germanio, arseniuro de galio. Después del silicio, el arseniuro de galio es el segundo semiconductor más común. [3]
Silicio (Si)
La fotónica de silicio ha sido ampliamente estudiada desde los trabajos pioneros de Soref y Petermann a finales de la década de 1980 y principios de la de 1990 [9] debido al deseo de crear dispositivos fotónicos de bajo costo aprovechando la sólida infraestructura de fabricación de silicio. Las obleas de silicio tienen el costo más bajo (por unidad de área) y la calidad de cristal más alta de cualquier material semiconductor.
Sin embargo, el caso de la fotónica de silicio es aún más fuerte. El silicio tiene excelentes propiedades materiales que son importantes en los dispositivos fotónicos: [2]
- alta conductividad térmica (∼10 × más alta que GaAs),
- alto umbral de daño óptico (∼10 × más alto que GaAs),
- Altas no linealidades ópticas de tercer orden
Este último punto es realmente esencial para el examen del efecto TPP. El alto índice de contraste entre silicio (n = 3,45) y SiO2 (n = 1,45) hace posible escalar dispositivos fotónicos al nivel de cientos de nanómetros. Estas dimensiones laterales y verticales son necesarias para una verdadera compatibilidad con el procesamiento de circuitos integrados. Además, la alta intensidad óptica que surge del gran índice de contraste (entre Si y SiO2) permite observar interacciones ópticas no lineales, como los efectos Raman y Kerr, en dispositivos a escala de chip. [2]
Por estas razones, el silicio se ha utilizado comúnmente como material para el efecto fotovoltaico convencional. Debido al límite Shockley-Queisser [6] , se sabe que la eficiencia máxima de conversión solar de una sola célula fotovoltaica de unión pn es de alrededor del 33,7% para una banda prohibida de 1,34 eV. Sin embargo, el silicio tiene una banda prohibida de 1,1 eV, lo que corresponde a una eficiencia del 32%.
Sin embargo, para el efecto TPP, los resultados de la eficiencia de recolección definidos en (7) se representan en la Figura 4 como función del voltaje con diferentes intensidades de bomba. [1]
En la Fig. 4 se muestra una buena concordancia entre los modelos simulados experimentales, analíticos y numéricos. Se puede hacer una interpolación de los datos para mostrar una eficiencia de recolección de alrededor del 43% paraen bombas bajas altas, que realmente se acerca al límite teórico establecido en 50%. Sin embargo, no es exactamente lo mismo para una alta intensidad de bombeo. Este límite de eficiencia de recolección conduce a una eficiencia inherente relativamente baja de alrededor del 5,5%.
Cualquier medio imaginable que mejore la beta puede mejorar la eficiencia energética del enfoque actual y el FCA es menor en longitudes de onda más cortas aumentando . La combinación de estos dos efectos podría traducirse en una mayor eficiencia límite en el efecto de TPP predicho.
Arseniuro de galio (GaAs)
El arseniuro de galio (GaAs) es un material semiconductor importante para celdas solares de alto costo y alta eficiencia y se utiliza para celdas solares de película delgada monocristalinas, así como celdas solares de múltiples uniones.
Cada dos fotones perdidos por TPA generan un par de electrones-huecos en el material semiconductor y estos portadores fotogenerados están disponibles para conversión fotovoltaica en energía eléctrica como se muestra en la Figura 5 para dos longitudes de onda particulares ().
TPA se ha observado experimentalmente en arseniuro de galio (GaAs) y su coeficiente, β, calculado en GaAs a 1,3 μm es 42,5 cm / GW (mucho más alto que el silicio: 3,3 cm / GW). Además, a la longitud de onda de telecomunicaciones de 1,55 μm, se informa que β es de alrededor de 15 cm / GW en GaAs en comparación con 0,7 cm / GW en silicio. Por lo tanto, se espera que el efecto TPP sea más fuerte en GaAs. [10]
Con el fin de obtener datos experimentales para compararlos con el análisis teórico, la Figura 6 ilustra cómo se puede realizar TPP en una guía de ondas GaAs / AlGaAs monomodo utilizando un diodo de unión de clavijas .
La recombinación Shockley-Read-Hall se tiene en cuenta en este modo, l asumiendo que el nivel de energía de la trampa se encuentra en el medio de la banda prohibida. La vida útil de la recombinación en masa de electrones y huecos, y , a granel, los GaAs son del orden de 10−8 s, aproximadamente 2 órdenes de magnitud más pequeños que los del silicio a granel. La recombinación de la superficie reduce la eficiencia energética del efecto TPP, ya que los electrones y los huecos se recombinan antes de que se recojan en los contactos.
El efecto TPP es más eficiente a 976 nm debido a un β más grande. Para un dispositivo de 5 cm de largo a 150 mW, se predice teóricamente una eficiencia energética de hasta un 8%, que es más alta que la que se puede lograr en silicio. [10]
Aplicaciones potenciales
Una aplicación potencial del efecto fotovoltaico de dos fotones es la entrega de energía remota a sensores físicos instalados en entornos críticos donde las chispas eléctricas son peligrosas y se deben evitar los cables de cobre.
Referencias
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