Las células fotovoltaicas multiunión se inventaron para reducir una fuente de pérdidas fundamental en la conversión de energía luminosa a energía eléctrica. Para entender estas pérdidas hay que tener en cuenta dos hechos:
- Los materiales semiconductores con los que se construyen las células solares se caracterizan por su anchura de banda prohibida, que es simplemente la mínima energía que deben tener los fotones de la luz para ser absorbidos en la célula solar. Cuando el fotón tiene más energía que ésta, también se absorbe, pero la diferencia de energía se pierde en forma de calor.
- La luz solar contiene fotones con un amplio rango de energías: el color de la luz depende de la energía de los fotones, desde el ultravioleta (alta energía) pasando por el rango visible y hasta el infrarrojo (baja energía). Solo una de estas energías coincide con la anchura de banda prohibida de la célula solar. Los fotones con energía menor no son absorbidos, es decir, no se aprovechan. Los fotones con energía mayor se absorben pero la diferencia de energía se pierde en forma de calor.
Por esto, es fácil entender que una buena parte de la energía total de los fotones del sol que son absorbidos en una célula solar se pierde en forma de calor.
Para reducir estas pérdidas, en una célula multiunión se apilan varias subcélulas con distintos materiales semiconductores de anchuras de banda prohibida decrecientes de arriba a abajo. De esta forma, los fotones se van absorbiendo de forma escalonada: primero los de mayor energía, luego los de energías menores, y así sucesivamente. Esta absorción de fotones escalonada reduce las pérdidas globales. Por supuesto, cuanto mayor sea el número de subcélulas, menores son estas pérdidas, aunque en la práctica es difícil construir células multiunión con más de 3-4 subcélulas.
La eficacia de esta tecnología de células multiunión se hace más evidente con estos números: una célula solar monounión ideal tiene una eficiencia máxima posible para luz solar en la superficie terrestre de 33.6 % mientras que para una célula solar multiunión es del 86.8%.
En la actualidad, las células solares multiunión que más éxito han tenido en su aplicación práctica y comercialización son las fabricadas usando materiales semiconductores III-V, que son compuestos de la familia del GaAs, y que han alcanzado una eficiencia record del 47 % bajo luz concentrada y en torno al 40% bajo luz solar sin concentrar. Debido a su alto coste, estas células se comercializan principalmente para aplicaciones espaciales, en las que la alta eficiencia es necesaria, o en aplicaciones que demandan un ratio potencia/peso elevado, como las aplicaciones móviles (drones, pseudo-satélites, etc). Por otro lado, se están desarrollando también células multiunión basadas en silicio y perovskitas, con el propósito de aumentar la eficiencia de las células convencionales de silicio manteniendo el bajo coste.
Más información:
- C. Algora and I. Rey-Stolle, Handbook of Concentrator Photovoltaic Technology. Wiley, 2016.
- A. Luque and S. Hegedus, Handbook of Photovoltaic Science and Engineering. Wiley, 2011.
