Solar Cells and Photodetectors: Lecture Overview

Materiales con Eg entre 0.5 y 3 eV

• Materiales como silicio, arseniuro de galio (GaAs) y fosfuro de indio (InP) pueden ser utilizados para dispositivos fotovoltaicos.
• Todas las luces incidentes con energía mayor que la energía de banda prohibida (Eg) se absorben y generan pares electrón-hueco.
• Los portadores excitados no se recombinan excepto radiativamente y se transportan sin pérdida a través del circuito externo.

Limitaciones de eficiencia en dispositivos fotovoltaicos

• La absorción incompleta de la luz reduce la corriente fotogenerada.
• La recombinación no radiativa de portadores fotogenerados reduce tanto la corriente como el voltaje.
• La caída de tensión debido a la resistencia en serie entre el punto de generación y el circuito externo también reduce la eficiencia.

Semiconductores

• Los semiconductores deben absorber luz visible (energía de banda prohibida entre 0.5 y 3.0 eV).
• Debe transportar cargas con eficiencia.
• Ejemplos de semiconductores son silicio y materiales moleculares.

Bandas de energía en cristales

• La banda de valencia (VB) es la banda de ocupación más alta.
• La banda de conducción (CB) es la banda no ocupada más baja.
• La banda prohibida es la diferencia de energía entre la banda de valencia y la banda de conducción.

Electrones y hoyos en semiconductores

• Los semiconductores intrínsecos tienen una conductividad pequeña en la oscuridad.
• La fotoconductividad se produce cuando un material se expone a la luz, liberando electrones de la banda de valencia.

Diagramas de estructura de banda

• Los diagramas de estructura de banda muestran la energía en función del momento.
• La banda prohibida es la diferencia de energía entre la banda de valencia y la banda de conducción.

Brecha directa e indirecta

• La brecha directa ocurre cuando el mínimo de la banda de conducción y el máximo de la banda de valencia ocurren en el mismo punto del espacio de momento.
• La brecha indirecta ocurre cuando el mínimo de la banda de conducción y el máximo de la banda de valencia ocurren en diferentes puntos del espacio de momento.

Densidad de estados

• La densidad de estados es la cantidad de estados disponibles por unidad de energía y unidad de volumen.
• La función de distribución de Fermi-Dirac describe la probabilidad de占ancia de los estados.

Fotodíodos y células solares

• Los fotodíodos son dispositivos que convierten la luz en una señal eléctrica.
• Las células solares son dispositivos que convierten la luz en energía eléctrica.

Recombinación y generación

• La recombination es el proceso contrario a la generación, donde los electrones y huecos se recombinan.
• La generación es el proceso donde los electrones y huecos se crean a partir de la absorción de luz.

Procesos ópticos en un sistema de dos niveles

• La absorción de un fotón puede promover un electrón de la banda de valencia a la banda de conducción.
• La emisión de un fotón puede relajar un electrón de la banda de conducción a la banda de valencia.

Generación de pares electrón-hueco

• La generación de pares electrón-hueco es el proceso más importante en dispositivos fotovoltaicos.
• Otros procesos de generación incluyen la generación asistida por trampas y Auger.

Análisis de la unión p-n

• La unión p-n es la estructura de dispositivo más comúnmente utilizada en fotovoltaica.
• La unión p-n se puede preparar a partir de un wafer de cristal sin interface específico.

Estado de equilibrio en la unión p-n

• La unión p-n en equilibrio tiene una barrera de potencial inherente.
• La barrera de potencial se puede controlar mediante el control de los niveles de dopaje.

Corrientes en la oscuridad en la unión p-n

• La corriente en la oscuridad se debe a la recombinación de portadores en la región de carga espacial.
• La ecuación de Shockley describe la corriente en la oscuridad en la unión p-n.

Unión p-n bajo iluminación

• La unión p-n bajo iluminación genera una corriente fotogenerada.
• La eficiencia cuántica describe la relación entre la corriente fotogenerada y la intensidad de la luz incidente.

Células solares: eficiencias récord

• Las células solares tienen eficiencias récord que varían en función de la estructura del dispositivo y la calidad de los materiales.