Sensores espectrales basados en diodos led y células multi-unión

Abstract

El ritmo de vida actual supone un consumo energético muy elevado. Realizamos actividades rutinarias en las cuales empleamos energía (principalmente eléctrica) en grandes cantidades con total normalidad como poner la lavadora, cargar nuestro teléfono móvil, ver la tele o encender la luz. La energía consumida proviene principalmente de la biomasa, es decir, de los recursos materiales que proporciona la naturaleza y se conservan durante largos periodos de tiempo. Para aprovechar la energía del Sol, en los últimos años se ha introducido la energía solar como recurso energético en los países desarrollados. La lenta evolución de esta tecnología se debe a la profunda investigación que requiere y el elevado coste de los materiales empleados. Actualmente las células fotovoltaicas más empleadas son las convencionales de silicio, uno de los materiales más abundantes en la Tierra. En los últimos años han aparecido células realizadas con otros materiales, inicialmente desarrolladas para aplicaciones aeroespaciales pero que también han encontrado formas de aplicación en el mercado terrestre. Las tecnologías de célula conocidas como células multi-unión (MJ), que están formadas por varias sub-células, típicamente 3 apiladas en serie tienen bastantes ventajas frente a las convencionales de silicio, pero cuya complejidad es superior y por ello su uso no es todavía muy común a niveles comerciales. Estas tecnologías proporcionan eficiencias de conversión superiores al 45%, más del doble de la eficiencia típica de una célula de silicio. La incorporación de este tipo de células en sistemas fotovoltaicos de concentración (CPV) es un hecho clave para aumentar su eficiencia y su competitividad. Una de las características de las células MJ es su gran sensibilidad al espectro de la luz incidente. Su alta eficiencia radica en un mejor aprovechamiento del espectro solar, pero eso las hace más sensibles a las variaciones espectrales de la luz incidente. Puesto que el espectro que reciben las células MJ en las aplicaciones terrestres depende mucho de las condiciones externas y éstas varían según la atmósfera, la estación del año, la hora del día y la situación geográfica, surge la necesidad de caracterizar el espectro solar con mayor detalle. Por ello, el objetivo de este proyecto es desarrollar sensores espectrales para la caracterización tanto de la radiación solar como de sistemas de luz artificial empleados en el laboratorio para medir estos dispositivos. La particularidad de los sensores que se van a realizar es que utilizan las propias células MJ comerciales como sensor, sustituyendo a sensores específicos, conocidos como células componentes o isotypes, que se han venido utilizando hasta la fecha. Esto permite que los sensores espectrales estén adaptados a cada tecnología de célula. Los sensores isotypes no son comerciales, necesitan desarrollos específicos, son muy caros y dependen de la tecnología de células MJ que evoluciona con el tiempo. Para usar las células MJ como sensores espectrales, es necesario asegurar que la célula responde solamente al intervalo espectral de una de las tres sub-células que componen la célula MJ. Un sensor espectral completo estará compuesto de tres células MJ cada una proporcionando una señal relacionada con una de las tres bandas espectrales. El objetivo es conseguir acceder de forma aislada a cada una de 3 las corrientes que genera cada sub-célula del dispositivo MJ, con independencia del espectro de la luz incidente. Esto se consigue con la incorporación de luz de polarización del espectro apropiado que satura en corriente 2 de las 3 sub-células, siendo la tercera la que responde a la luz incidente. Se han diseñado y realizado prototipos de estos sensores espectrales que consisten básicamente en tres elementos: la célula multi-unión como sensor, diodos LED (Diodo Emisor de Luz) de varias longitudes de onda como luz de polarización y un tubo colimador para limitar la apertura angular del sensor. El proyecto recoge los trabajos realizados para el diseño de los dispositivos, su fabricación y su verificación experimental. Además, se reportan ciertas limitaciones encontradas cuando se trata de que la sub-célula de germanio actúe como sensor, así como posibles mejoras.
Abstract:
The pace of modern-day life means a very high energy consumption. We perform routine activities in which we use energy (mainly electric) in large quantities with total normality such as putting the washing machine, charging the mobile phone, watching TV or turning on the light. The energy consumed comes mainly from the biomass, that is, from the material resources provided by nature and stored over long periods of time. To take advantage of the energy of the Sun, solar energy has been progressively introduced in the last years as an energy resource in developed countries. The slow evolution of this technology is due to the deep research required and the high cost of the materials used. Currently, the most used photovoltaic cells are based on silicon, one of the most abundant materials on Earth. In recent years, cells made with other materials have appeared, initially developed for aerospace applications, but also applied in the terrestrial market. The cell technologies known as multi-junction (MJ) cells, which are made up of several sub-cells, typically 3 stacked in series, have some advantages over conventional silicon ones, but whose complexity is superior and therefore their use is not still very common at commercial levels. These technologies provide conversion efficiencies greater than 45%, more than twice the typical efficiency of a silicon cell. The incorporation of this type of cells in concentrated photovoltaic systems (CPV) is a key fact to increase its efficiency and its competitiveness. One of the characteristics of MJ cells is their great sensitivity to the spectrum of incident light. Its high efficiency lies in a better use of the solar spectrum, but that makes them more sensitive to spectral variations of the impinging light. Since the spectrum received by MJ cells in terrestrial applications depends heavily on external conditions and they change according to the atmosphere content, season, time of day and geographical location, there is a need to characterize the solar spectrum in more detail. Therefore, the aim of this project is the development of spectral sensors for the characterization of both the solar radiation and artificial light systems used in the laboratory to measure these devices. The particularity of the sensors is that they use the commercial MJ cells themselves, substituting specific sensors known as component cells or isotypes that have been used to date. This enables that the spectral sensors are adapted to each cell technology. The isotypes sensors are not commercial, need specific developments, are very expensive and dependent on the MJ cell technology that evolves over time. In order to use the MJ cells as spectral sensors, it is necessary to ensure that the cell responds only to the spectral range of one of the three sub-cells that compose the MJ cell. A complete spectral sensor will be composed of three MJ cells each one providing a signal related to one of the three spectral bands. The aim is to achieve isolated access to each of the currents generated by each sub-cell of the MJ device, irrespectively of the spectrum of the incident light. This is achieved with the incorporation of bias light of appropriate spectrum that saturate in current 2 of the 3 sub-cells, the third being the one that responds to the incident light. Prototypes of these spectral sensors have been designed and executed, consisting of three main elements: the multi-junction cell as sensor, LEDs (light emitting diode) of several wavelengths to provide the polarization light and a collimator tube to limit the angular aperture of the sensor. The project includes the work done for the design of the devices, their manufacture and their experimental verification. In addition, certain limitations encountered for the germanium sub-cell will be reported as well as possible future improvements.