Las células solares de portadores calientes han sido un tema de interés para los investigadores en energía renovable durante varias décadas. La premisa detrás de estas células es bastante convincente: tienen el potencial de superar el límite de Shockley-Queisser, un tope teórico en la eficiencia de las células solares tradicionales de unión única.
Un aspecto pivotal de su funcionalidad radica en la forma en que manejan los electrones «calientes», es decir, electrones que han ganado energía excesiva a partir de la luz solar absorbida. Esta energía, si se aprovecha de manera efectiva, podría mejorar considerablemente la eficiencia general de la conversión de energía solar. Sin embargo, a pesar del atractivo teórico, la aplicación práctica de las células solares de portadores calientes ha estado plagada de dificultades.
Uno de los principales obstáculos implica la extracción eficiente de estos electrones energizados, especialmente a través de las interfaces críticas de los diferentes materiales utilizados en la construcción de la célula solar. Recientes investigaciones en este campo han cambiado el enfoque hacia los valles satelitales en la banda de conducción, donde los investigadores proponen que los electrones calientes pueden almacenarse temporalmente antes de su extracción. Este es un giro notable, ya que enfatiza la importancia tanto de las propiedades materiales como de la disposición estructural dentro de la célula solar.
No obstante, la evidencia empírica ha revelado la existencia de una barrera parásita en la interfaz de la heteroestructura entre las capas de absorción y extracción; aquí es donde las cosas comienzan a complicarse. El verdadero desafío surge cuando las bandas de energía de los materiales constituyentes no están alineadas de manera precisa, lo que puede obstaculizar el paso de estos electrones energéticos. Curiosamente, algunos electrones logran eludir esta barrera a través de un fenómeno conocido como tunelamiento, que está intrínsecamente relacionado con las estructuras de banda únicas de los materiales involucrados.
Un estudio reciente publicado en el Journal of Photonics for Energy utiliza un método de pseudopotencial empírico para evaluar las características de estos estados evanescentes y su relevancia para el tunelamiento de electrones. Al correlacionar cálculos de bandas de energía en el espacio de momento con datos experimentales, el estudio arroja luz sobre los mecanismos físicos que permiten la extracción de portadores calientes a través de heterointerfaces y valles de portadores.
Uno de los resultados fascinantes de esta investigación es la elucidación del coeficiente de tunelamiento, una medida que indica la probabilidad de tránsito de electrones a través de la barrera. El estudio reveló que en estructuras hechas de arseniuro de indio-aluminio (InAlAs) y arseniuro de indio-galio (InGaAs), el coeficiente de tunelamiento se ve severamente comprometido debido a desalineaciones en las bandas de energía. Esta barrera se vuelve aún más pronunciada con una leve rugosidad en la interfaz, que podría ser tan frágil como solo unos pocos átomos, lo que finalmente conduce a una transferencia de electrones deficiente. Desafortunadamente, esta explicación resuena bien con el rendimiento decepcionante observado en dispositivos experimentales que emplean estos materiales.
Interesantemente, la investigación indica que la situación mejora notablemente dentro de los sistemas que incluyen arseniuro de aluminio-galio (AlGaAs) y arseniuro de galio (GaAs). La inclusión de aluminio en la barrera ayuda a crear una degeneración en los valles satelitales de menor energía, mejorando significativamente la alineación de las bandas de energía. Esta mejora en la alineación es crucial para optimizar la transferencia de electrones y revolucionar la eficiencia de las células solares de portadores calientes.
De hecho, el coeficiente de tunelamiento para las transiciones de electrones entre AlGaAs y GaAs puede alcanzar valores impresionantes, con estudios que sugieren coeficientes tan altos como 0.5 o incluso 0.88, dependiendo de la composición de aluminio. Esto sugiere que no solo la transferencia de electrones puede ser más eficiente, sino que también puede desbloquear el potencial para la fotovoltaica de valles, allanando el camino para células solares que operan más allá de las limitaciones de los enfoques tradicionales de única banda.
En los transistores de alta movilidad de electrones que utilizan una configuración de AlGaAs/GaAs, los electrones típicamente migran de AlGaAs a GaAs. No obstante, en el ámbito de la fotovoltaica de valles, donde la transferencia y almacenamiento eficiente de portadores calientes son imprescindibles, la alternativa—donde los portadores calientes en GaAs se transfieren de nuevo a AlGaAs—se vuelve ventajosa.
A medida que avanza la investigación en células solares de portadores calientes, entender y superar los obstáculos presentados por desalineaciones en las bandas de energía y barreras en las interfaces será crítico. Con los continuos avances en la ciencia de materiales y mayores conocimientos a partir de estudios, el sueño de células solares de portadores calientes eficaces que rompan límites de eficiencia puede pasar de mera especulación a realidad, ofreciendo una vía prometedora hacia un futuro más sostenible y eficiente en términos energéticos.
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