Campus Moncloa

III-V

Semiconductores III-V

E.T.S.I. Telecomunicación
Universidad Politécnica de Madrid

Instituto de Energía Solar
Universidad Politécnica de Madrid

Las primeras actividades en el IES-UPM sobre células solares de semiconductores III-V se iniciaron en 1978. En 1995, se creó el Grupo de Tecnologías III-V que posteriormente se denominó Grupo de Semiconductores III-V. Las contribuciones teóricas, tecnológicas y de dispositivo han sido notables y están reconocidas internacionalmente. Utilizando como tecnología de crecimiento la Epitaxia de Fase Líquida (en inglés, LPE), el Grupo de Semiconductores III-V logró varios récords de eficiencia europeos y mundiales. Entre ellos destacan: a) 22,8 % a 1 sol con una célula solar de GaAs fabricada por difusión de zinc en 1989 (récord europeo) b) 25,0 % a 180 soles con una célula solar de GaAs solar funcionando dentro de una cavidad confinadora de luz en 1992 (récord europeo) y c) 23,3 % a 1300 soles con una célula solar de GaAs en 1995.
Pero el Grupo de Semiconductores III-V no sólo ha logrado unos excelentes resultados en cuanto a dispositivo se refiere, sino que ha realizado una intensa labor en la comunidad fotovoltaica internacional para llamar la atención sobre la necesidad de utilizar concentraciones luminosas muy elevadas sobre células muy sofisticadas de semiconductores III-V si se quiere conseguir un coste competitivo de la electricidad fotovoltaica. Nuestra propuesta sugería trabajar bajo iluminaciones de 1000 soles, en tanto que lo habitual era trabajar a tan sólo 100-500 soles. Pues bien, en 1999 nuestro grupo consiguió (en colaboración con el Ioffe Institute de St. Petersburgo, Rusia, y del que es director el Premio Nobel de Física Z. Alferov) una célula solar de GaAs con ventana de AlGaAs con la mayor eficiencia del mundo en células monounión a concentraciones elevadas (26,2% a 1000 soles y del 25% a 2000 soles), confirmado externamente por el National Renewable Energy Laboratory (NREL) de EEUU. Desde que demostramos la posibilidad de obtener eficiencias elevadas a tan altas concentraciones luminosas han sido varios los centros de investigación (e incluso algunas empresas) que se han interesado por el funcionamiento de las células solares a 1000 soles.

En la fabricación de células solares completas, el Grupo de Semiconductores III-V ha demostrado su capacidad para encapsular y montar células solares que funcionen a concentraciones superiores a 1000 soles, utilizando técnicas provenientes de la optoelectrónica como fotolitografía, la soldadura con hilo, etc. Pero no es ésta la única novedad, ya que el énfasis también se ha puesto tanto en el diseño teórico de la estructura del dispositivo, como en los procesos tecnológicos y en el procesado de las obleas semiconductoras con las que fabricar las células. Esta manera singular de fabricar células solares (bien alejada de la industria fotovoltaica convencional), la denominamos “LED-like approach” (véase figura anterior) por su similitud con la fabricación de diodos emisores de luz (LEDs) es seguida hoy día por varias compañías y centros de investigación.

En el año 2002 el Grupo de Semiconductores III-V adquirió un reactor de epitaxia en fase vapor mediante precursores metalorgánicos con el objetivo de desarrollar una tecnología fotovoltaica de alta eficiencia con posibilidades sólidas de industrialización (véase figura anterior). Consecuentemente, en los últimos 10 años el grupo ha centrado su actividad en desarrollar el know-how necesario para fabricar estructuras de célula solar multiunión de alta eficiencia a alta concentración mediante MOVPE. En concreto, implicaron la optimización del crecimiento de GaAs, AlGaAs, GaInP, AlGaInP y AlInP tanto tipo p como tipo n (dopados con Zn, C, Si y Te), y con rangos de dopado entre 1017 y 5.1019 cm-3 y con excelente calidad de minoritarios para los usos fotovoltaicos. Como colofón de este proceso se obtuvo, a finales de 2008, una eficiencia del 32,6% con una célula de doble unión de GaInP/GaAs a una concentración de 1000 soles, lo que supuso en su día récord mundial para esta tecnología de dos uniones a cualquier concentración, récord que hasta la fecha se mantiene imbatido. Desde finales de 2008 el Grupo de Semiconductores III-V centro su actividad en el desarrollo de células solares de triple unión basadas en susbtratos de germanio. En este aspecto cabe destacar que con una estructura fabricada en 2010 se alcanzó una eficiencia del 37% a 700 soles (medida corroborada por el Instituto Fraunhofer) y en la actualidad se está completando la fabricación y caracterización de estructuras con las que se espera alcanzar el 40% a 1000 soles, debido a la inclusión de una nueva generación de uniones túnel que han obtenido el récord mundial de conductividad y corriente de pico.
Estos resultados científicos se han logrado a través de la intensa participación del Grupo de Semiconductores III-V en proyectos del VI y VII PM, y en proyectos de convocatorias nacionales tanto del Plan Nacional de Investigación fundamental no orientada como de Programas INNPACTO, PSE o CONSOLIDER, así como proyectos regionales de la Comunidad de Madrid.
Finalmente, cabe destacar también que los importantes resultados científicos obtenidos en la última década han sido acompañados por una intensa actividad de transferencia a la industria y valorización del conocimiento obtenido. Así, por ejemplo, se han firmado contratos de transferencia y/o consultoría tecnológica con compañías españolas como Abengoa, Concentración Solar La-Mancha, Iberdrola, Isofotón, Fagor o Renovalia; y, también, a nivel internacional con compañías como ENE (Bélgica), IQE (Reino Unido), Semprius (EE.UU.) y Umicore (Bélgica).

• Materials for the Future priority lines

• Functional materials

• Global Change and New Energies priority lines

• Sustainable Technology and New Energies

Subir