Modelamiento hidrodinámico del transporte de portadores de carga fuera de equilibrio térmico en una celda solar compuesta por una junta PN

Se espera que la tercera generación de celdas solares mantenga los bajos costos de producción alcanzados actualmente, al mismo tiempo de mejorar considerablemente los niveles de eficiencia. A medida que se desarrollan nuevos materiales y configuraciones, mejoras en el manejo térmico son requeridas,...

Descripción completa

Detalles Bibliográficos
Autor: Jara-Bravo, Cristian Andrés
Tipo de recurso: tesis de maestría
Estado:Versión publicada
Fecha de publicación:2019
País:Chile
OAI Identifier:oai:repositorio.anid.cl:10533/241935
Acceso en línea:https://hdl.handle.net/10533/241935
Access Level:acceso abierto
Palabra clave:Ingeniería y Tecnología
Ingeniería Mecánica
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description Se espera que la tercera generación de celdas solares mantenga los bajos costos de producción alcanzados actualmente, al mismo tiempo de mejorar considerablemente los niveles de eficiencia. A medida que se desarrollan nuevos materiales y configuraciones, mejoras en el manejo térmico son requeridas, tanto para el diseño como para operación. El presente trabajo estudia el efecto de portadores de carga altamente energéticos, y fuera de equilibrio térmico, en una celda solar de GaAs compuesta por una junta PN. En primer lugar, se aplica una aproximación asintótica al modelo hidrodinámico obteniendo simplificaciones válidas para la implementación numérica. Se obtiene la solución unidimensional en estado estacionario mediante la resolución iterativa del método de diferencias finitas. Utilizando dicho modelo, el efecto de las condiciones de borde térmicas en el rendimiento de la celda es estudiado. Mayores valores de potencia son alcanzados para bajas temperaturas de lattice y altas para los portadores de carga. Se obtiene una dependencia térmica lineal entre el voltaje de circuito abierto y la temperatura de electrones en los bordes de dVoc/dTn = 3,2 mV/K. Lo anterior es una consecuencia directa de la extracción de hotcarriers, dado que el exceso de energía no es transformado en calor hacia la lattice. Para mejorar la consistencia del modelo para trabajos futuros, los supuestos térmicos para los hoyos son analizados mediante la comparación de la condición de equilibrio térmico con los electrones y con la lattice. Se observa que, a menos que el balance térmico sea resuelto para los hoyos, lo más razonable es considerarlos en equilibrio térmico con la lattice dado que, en caso contrario, la mayor temperatura alcanzada por los electrones, junto con la mayor masa efectiva de los hoyos, genera una distorsión en el campo eléctrico al mismo tiempo que una alta recombinación en las cercanías de la junta, lo que no es esperado en estos dispositivos. Finalmente, diferentes modelos de saturación de velocidad fueron comparados para obtener la mejor representación del comportamiento de las bandas individuales. Se propone el uso del modelo de Baccarani y Wordeman junto con un balance poblacional entre bandas de conducción para la densidad de electrones, para ser utilizado junto con el modelo hidrodinámico. Los resultados de tiempos de relajación para momentum y energía, masa efectiva y velocidad de drift son comparados con resultados de un estudio mediante el método de Monte Carlo. Se obtiene un buen nivel de ajuste para la velocidad de drift, mientras que el resto de los parámetros de transporte presenta mayores divergencias, especialmente en el rango medio de campo eléctrico, donde la transferencia de electrones comienza. La modificación de la función de distribución de población entre las bandas central y satélite podría llevar a resultados más precisos y una mejor representación de los fenómenos térmicos al interior de la celda.
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