Hispanopedia WikiEl efecto Staebler-Wronski (SWE, por sus siglas en inglés) se refiere a los 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, lo que provoca un aumento de la corriente de recombinación y reduce 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, pudieron revertir el efecto. [ 1 ]
Explicación
Algunos resultados experimentales
- La fotoconductividad y la conductividad en la oscuridad disminuyen rápidamente al principio antes de estabilizarse en un valor inferior.
- Las interrupciones en la iluminación no afectan la tasa de cambio posterior. Una vez que la muestra se ilumina de nuevo, la fotoconductividad disminuirá como si no hubiera habido interrupción.
Explicaciones sugeridas
Aún se desconocen la naturaleza y la causa exactas del efecto Staebler-Wronski. El silicio nanocristalino se ve menos afectado por este efecto que el silicio amorfo, lo que sugiere que el desorden en la red de silicio amorfo (Si) desempeña un papel fundamental. 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 aceptado ha sido el de conmutación de enlaces de hidrógeno. [ 2 ] Este propone que un par electrón-hueco formado por la luz incidente puede recombinarse cerca de un enlace Si–Si débil, liberando energía suficiente para romperlo. Un átomo de H vecino forma entonces un nuevo enlace con uno de los átomos de Si, dejando un enlace colgante . Estos enlaces colgantes pueden atrapar pares electrón-hueco, reduciendo así la corriente que puede pasar. Sin embargo, nuevas evidencias experimentales ponen en duda este modelo. Más recientemente, el modelo de colisión de H propuso que dos eventos de recombinación espacialmente separados causan la emisión de hidrógeno móvil de los enlaces Si–H para formar dos enlaces colgantes, con un estado H apareado 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 disminución puede oscilar entre el 10 % y el 30 %, dependiendo de la calidad del material y el diseño del dispositivo. La mayor parte de esta pérdida se produce en el factor de llenado de la célula. Tras esta disminución inicial, el efecto alcanza un equilibrio y provoca poca degradación adicional. El nivel de equilibrio varía con la temperatura de funcionamiento, de modo que el rendimiento de los módulos tiende a recuperarse parcialmente durante los meses de verano y a disminuir de nuevo en los meses de invierno. [ 4 ] La mayoría de los módulos de a-Si disponibles comercialmente presentan una degradación por efecto Staebler-Wronski (SWE) en el rango del 10-15 %, y los proveedores suelen especificar la eficiencia en función del rendimiento una vez estabilizada la degradación por SWE. En una célula solar de silicio amorfo típica , la eficiencia se reduce hasta en un 30 % durante los primeros 6 meses como resultado del efecto Staebler-Wronski, y el factor de llenado disminuye 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 la SWE
- Utilizar silicio nanocristalino en lugar de silicio amorfo.
- Funcionamiento a mayor temperatura. Esto se puede lograr integrando el sistema fotovoltaico en un colector solar híbrido fotovoltaico-térmico (PVT).
- Apilar una o más capas más delgadas de silicio amorfo junto con otros materiales para formar una celda solar de unión múltiple . [ 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 reversibles de conductividad en Si amorfo producido por descarga". Applied Physics Letters . 31 (4): 292. Bibcode : 1977ApPhL..31..292S . doi : 10.1063/1.89674 . ISSN 0003-6951 .
- ↑ Kołodziej, A. (2004). "Efecto Staebler-Wronski en silicio amorfo y sus aleaciones" . Opto-Electronics Review . 12 (1): 21– 32. Recuperado 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. 59 ( 8). American Physical Society (APS): 5498–5512 . Bibcode : 1999PhRvB..59.5498B . doi : 10.1103/physrevb.59.5498 . ISSN 0163-1829 .
- ↑ Uchida, Y y Sakai, H. Efectos inducidos por la luz en películas de a-Si:H y células solares, Mat. Res. Soc. Symp. Proc., Vol. 70, 1986
- ↑ Nelson, Jenny (2003). La física de las células solares . Imperial College Press.
- ^ Efecto Staebler-Wronski en fotovoltaica de silicio amorfo y procedimientos para limitar la degradación Archivado el 6 de marzo de 2007 en Wayback Machine , EY-1.1: 28 de octubre de 2005, Benjamin Strahm, Ecole Polytechnique Fédérale de Lausanne, Centre de Recherches en Physique des Plasmas (Presentación de diapositivas en Power Point)
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