Thermal instabilities of charge carrier transport in solar cells based on GaAs PN Junctions

Abstract

Dentro de los factores que afectan negativamente una celda solar fotovoltaica se destaca la temperatura. Ya sea por imperfecciones del material o a condiciones de operación no uniformes, es posible que se concentre calor en una zona debido a la disminución de la resistencia local y su consecuente aumento de corriente eléctrica. Estas zonas de concentración de calor pueden estabilizarse, generando gradualmente degradación de la celda, disminución de su vida útil y eficiencia. En caso contrario, puede ocurrir un fenómeno de descontrol térmico que resulta catastrófico para la celda, inhabilitando su correcto funcionamiento. Estudios en módulos de película delgada revelan que esta condición ocurre incluso cuando la radiación está uniformemente distribuida y con ello, el perfil de temperatura inicial es constante. La evolución temporal, bajo radiación, induce zonas de calor que incrementan exponencialmente la temperatura, contrayendo su área; por otra parte, la temperatura de las zonas más alejadas disminuye simultáneamente mientras disipan pequeñas corrientes. Para evitar este fenómeno se pueden escalar propiedades del dispositivo, como aumentar la conductividad térmica y disminuir el espesor. Actualmente, estos análisis se realizan a partir de modelos numéricos y analíticos basados en el comportamiento de diodos y mediciones experimentales del perfil de temperatura en la capa superficial de la celda y en la juntura. El propósito de esta Tesis es determinar criterios de estabilidad electro-térmico que pueden ser utilizados para evitar el descontrol de temperatura a partir de aplicar un análisis a un modelo hidrodinámico de mayor complejidad que uno basado en diodos; más aún, considerar un estado fuera del equilibro entre la temperatura de la red y los portadores de carga. Se determinó que la inestabilidad ocurre en la juntura PN y depende fuertemente la temperatura de la juntura en los bordes. Además, aumentar la temperatura de los portadores, disminuir el largo y aumentar el voltaje aplicado pueden estabilizar el sistema, aumentando el tiempo en que el sistema duplica su temperatura.