External quantum efficiency above 100% in photovoltaic cells due to the technique raising efficiencies for all kinds of solar cells

Resumen Técnico: Eficiencia Cuántica Externa Superior al 100% en Células Fotovoltaicas mediante la Técnica de Módulo en Forma de V

Planteamiento del Problema
La teoría fotovoltaica tradicional sugiere que la eficiencia cuántica externa (EQE) de una célula solar no puede superar el 100%, ya que un fotón absorbido típicamente genera un único par electrón-hueco. Aunque se ha observado la Multiplicación de Pares Electrón-Hueco (EHPM) en células de puntos cuánticos y orgánicas, su ocurrencia en células de silicio policristalino estándar sigue siendo objeto de una restricción teórica. Además, los módulos solares planos convencionales sufren pérdidas ópticas debido a la reflexión y a la disipación del exceso de energía fotónica en forma de calor, lo que genera radiación infrarroja (IR) que normalmente se pierde. El artículo aborda el desafío de superar estos límites de eficiencia e investigar los mecanismos físicos detrás de un fenómeno previamente observado donde las estructuras de módulo en forma de V (VSM) aumentan significativamente la eficiencia de conversión de potencia ($\eta$).

Metodología
El estudio utilizó una configuración de módulo en forma de V (VSM) que consistía en dos células solares de silicio policristalino idénticas, comercialmente disponibles de 1 cm² ($\eta$ inicial de 13.4%), colocadas en un ángulo ($\alpha$) entre sí. Los investigadores investigaron sistemáticamente la EQE de estas células utilizando un equipo de medición de respuesta espectral (Modelo CEP-25/CH). Las mediciones se realizaron en cuatro ángulos de apertura específicos: $20^\circ$, $30^\circ$, $40^\circ$ y $180^\circ$ (este último sirviendo como control planar). El estudio implicó la medición de células individuales, así como de células conectadas en paralelo para asegurar la reproducibilidad y la consistencia. El protocolo experimental incluyó pasos de verificación rigurosos para asegurar la fiabilidad de los datos, manteniendo los errores de medición por debajo del 2%.

Contribuciones Clave y Resultados
La principal contribución de este trabajo es la observación experimental de valores de EQE que superan el 100% en células solares de silicio policristalino estándar cuando se disponen en una configuración VSM.

• Resultos Cuantitativos: Con un ángulo de apertura de $\alpha = 30^\circ$, la EQE pico alcanzó 1.4 (140%). Con $\alpha = 20^\circ$, la EQE pico aumentó a 1.8 (180%). En contraste, la configuración planar ($\alpha = 180^\circ$) exhibió una EQE pico de aproximadamente 0.8.
• Reproducibilidad: Los resultados fueron consistentes tanto en células individuales como en conexiones en paralelo, y el fenómeno es fácilmente reproducible.
• Análisis del Mecanismo: Los autores atribuyen las ganancias de eficiencia a dos factores principales:
  1. Atrapamiento Óptico: La geometría en V crea múltiples reflexiones internas, reduciendo significativamente las pérdidas por reflexión y mejorando la absorción de fotones en comparación con las células planas.
  2. Reciclaje de Infrarrojos y Excitación Sub-bandgap: El estudio propone que el VSM atrapa no solo la luz solar incidente, sino también los fotones IR emitidos por las propias células (radiación térmica). Estos fotones IR atrapados son reabsorbidos a través de niveles de energía de defectos dentro de la banda prohibida (específicamente en los límites de grano en el silicio policristalino). Este proceso, denominado excitación sub-bandgap, genera portadores fotoexcitados adicionales, permitiendo teóricamente eventos de EHPM en células de silicio.

Significancia y Reivindicaciones
El artículo afirma que la técnica VSM ofrece una nueva vía para estudiar la física fotovoltaica al desafiar los conceptos tradicionales sobre los límites de eficiencia. Los autores postulan que el efecto "sorprendente" de la VSM, caracterizado por una EQE > 100%, es explicable mediante el atrapamiento de los fotones IR emitidos (referidos en el texto como "energía oscura"), que luego se convierten en portadores extra a través de la absorción mediada por defectos.

El estudio concluye que este mecanismo proporciona nueva evidencia para la hipótesis de que la luz no infrarroja incidente en una célula VSM puede dar lugar a la emisión de IR, que posteriormente crea portadores extra en la célula enfrentada. Además, los autores sugieren que la técnica VSM podría utilizarse para desarrollar fotodetectores específicamente para la luz infrarroja y ultravioleta. El trabajo afirma que estos hallazgos respaldan el punto de vista de que la fotocorriente IR en dispositivos semiconductores puede generarse a través de la excitación sub-bandgap, ofreciendo potencialmente nuevas perspectivas para la interpretación de contactos óhmicos y diodos de túnel.