1.2.2. Cèl·lula solar fotovoltaica

Una cèl·lula solar és un dispositiu electrònic que, mitjançant l’efecte fotovoltaic, permet convertir l’energia de la llum solar directament en energia elèctrica (fig. 141).

Figura 141. Dispositius solars fotovoltaics

Les cèl·lules solars fotovoltaiques estan basades normalment en materials semiconductors. Un semiconductor és un material en el qual els electrons poden saltar de la banda de valència a la banda de conducció amb una aportació externa d’energia. Per exemple, l’energia de fotons de llum. La separació energètica entre aquestes bandes es denomina band gap. Els materials aïllants presenten una separació energètica entre les bandes de valència i conducció molt elevada, mentre que els materials conductors presenten solapament entre aquestes bandes (fig. 142).

En les cèl·lules solars fotovoltaiques, el band gap dels semiconductors utilitzats ha de ser una energia a la qual corresponga una alta irradiació en l’espectre de la llum solar (fig. 143).

Figura 142. Esquema de separació de nivells energètics en aïllants, conductors i semiconductors

Figura 143. Gràfic d’energia band gap enfront de l’eficiència fotovoltaica teòrica

1.2.2.1. Dispositius fotovoltaics tipus kesterita (CZTSSe)

estructura de la kesterita (Cu

2ZnSn (Se1-xS x)

4, (CZTSSe)

Es tracta d’una estructura AI-BII-CIV-XVI 4, on AI és Cu+, BII és Zn2+, CIV és Sn4+ i XVI és Se2- i/o S2-. L’estructura kesterita deriva de l’estructura fotovoltaica

calcopirita, AI-BIII-XVI 2. Posseeix un band gap variable d’entre 1-1,5 eV i un elevat coeficient d’absorció > 104 cm-1 a baix grossor (escala de micròmetres). Aquest material presenta una estructura tetragonal en la qual les posicions tetraèdriques són ocupades pels anions de Se i/o S, els vèrtexs i el centre de les cares són ocupats pels cations metàl·lics de Cu, Zn i Sn, com s’observa en la figura 144.

Figura 144. Estructura de la calcopirita i de la kesterita

estructura dels dispositius fotovoltaics tipus CZTSSe

Els dispositius solars fotovoltaics basats en calcogenurs estan formats per diverses capes dins la seua estructura. En el cas dels dispositius basats en l’estructura CZTSSe (Cu2ZnSn(Se1-xS x)4) la composició és la següent (fig. 145): • Substrat inferior. És la base del dispositiu. Normalment s’hi ha utilitzat substrat de vidre sodicocàlcic, proporcionant la superfície adequada per al dipòsit de totes les capes actives. També hi ha suports de plàstic, acer o ceràmica. • Contacte inferior. És el contacte elèctric inferior i consisteix en una capa de

Mo de gruix entre 0,5-1 micres, generalment dipositada per sputtering-PVD (Physical Vapor Deposition). • Capa fotoabsorbent. És una capa amb estructura cristal·lina tipus kesterita i de composició Cu2ZnSn(Se1-xS x)4 on s’absorbeixen els fotons de llum solar.

Té un gruix de 1-2μm. Actua com un semiconductor tipus p. • Capa buffer. És una capa de sulfur de cadmi (CdS). El seu gruix és de 70 nm aproximadament. Actua com un semiconductor tipus n, i aconsegueix la formació de la unió pn.