Caracterización de celdas solares por electroluminiscencia espectral

Abstract

La inyección de corriente a través de los contactos de una celda solar, invirtiendo de esta manera el modo de operación normal del dispositivo, provoca la emisión de fotones. Esto se debe a que un porcentaje de los portadores inyectados recombina de manera radiante, propiedad que se denomina electroluminiscencia y se utiliza comúnmente para la caracterización de celdas solares. Se desarrolla en este trabajo un sistema de medición semiautomático de electroluminiscencia espectral, a partir de un sistema de medición de eficiencia cuántica externa ya disponible en el laboratorio del Grupo de Fotovoltaica Aplicada. El sistema implementado puede realizar mediciones entre 400 nm y 1125 nm, pudiendo extenderse el rango de medición mediante la utilización de otro sensor. Para su operación el sistema dispone de un portamuestra donde se coloca la celda a caracterizar, una etapa óptica que colecta la luz emitida por la celda y la separa en las diferentes longitudes de onda, un sensor y un amplificador lock-in de fase simple que mide la corriente fotogenerada por el sensor. El control del sistema se realiza a través de una PC y los resultados se guardan en un archivo. Mediante la utilización del sistema implementado, se obtienen curvas de electroluminiscencia en función de la longitud de onda de una celda solar de Cu(In,Ga)Se2, una celda triple juntura de GaInP/GaAs/Ge y de diversos LEDs. Para las celdas solares se realiza un análisis de la variación de la electroluminiscencia espectral al variar la corriente inyectada y se obtiene el factor de idealidad. Además se aplica en la celda de Cu(In,Ga)Se2 el teorema de reciprocidad para obtener la curva de eficiencia cuántica externa a partir de la electroluminiscencia y viceversa; se calculan las pérdidas por recombinación no radiante mediante la tensión de circuito abierto y se calcula la eficiencia cuántica de la celda como LED.

The current injection through the contacts of a solar cell, thus reversing the normal operating device mode, causes photon emission. As a consequence of the current injection, a percentage of the injected carriers recombine radiatively, a property that is called electroluminescence and is commonly used for the characterization of solar cells. In this work, a semi-automatic spectral electroluminescence measurement system is developed, based on an external quantum efficiency measurement system already available in the laboratory from the Applied Photovoltaics Group. Although the implemented system can perform measurements between 400 nm and 1125 nm, the measurement range can be extended by the choice of a sensor with different spectral sensitivity. For its operation the system has a sample holder where the user can place the sample solar cell, an optical stage that collects the light emitted by the cell and separates it into different wavelengths, a sensor and a single-phase lock-in amplifier that measures the current generated by the sensor. The system is controlled via a PC and the results are saved in a file. By using the implemented system, electroluminescence curves as a function of wavelength are obtained for a Cu(In,Ga)Se2 solar cell, a GaInP/GaAs/Ge triple junction cell and various LEDs. For solar cells, a parametric analysis in the spectral electroluminescence when the injected current varies is made, obtaining the ideality factor as a result. In addition, a reciprocity theorem is applied to the Cu(In,Ga)Se2 cell to obtain the external quantum efficiency curve from the electroluminescence and vice versa; the losses from non-radiant recombination are calculated using the open circuit voltage and finally the corresponding LED quantum efficiency is calculated.