Saludos mis estimados amigos de la comunidad científica #stem-espanol

Cuando iluminamos una celda solar se debe conocer el valor máximo del fotovoltaje y fotocorriente generados a diferentes densidades de potencia óptica. En esta publicación presentaré el comportamiento de la corriente-voltaje en un dispositivo optoelectrónico de unión p-n en modo fotovoltaico y modo fotodetector, para lo cual haré las conexiones en configuración directa e inversa.

_{Característica corriente-voltaje en directo e inverso en la unión p-n.}

La unión de semiconductores con conductividad eléctrica tipo p y tipo n, donde los portadores mayoritarios son huecos y electrones, respectivamente, constituyen la base de construcción de un diodo de unión p-n, una celda solar o un fotodiodo donde prevalece la interacción de la luz con la materia.

Voltaje de circuito abierto (V_OC): Procedemos a conectar el terminal

positivo

del SourceMeter Keithley 2612B al contacto eléctrico de Ag colocado sobre el material tipo p-CIT, mientras que el terminal negativo se conecta sobre el n-CdS. Esta configuración la denomino "conexión directa". Conectamos el diodo LED MCWHL6 al SourceMeter Keithley 2410 y variamos la corriente eléctrica en este LED (entre 100 mA y 1000 mA) para obtener distintas densidades de potencia óptica que incidan sobre el prototipo de celda solar. El V_OC se mide con la condición que la corriente que circula en el dispositivo sea cero, esto es I = 0 A.

Corriente de cortocircuito: ahora conectamos el terminal

positivo (+)

del SourceMeter Keithley 2612B al contacto eléctrico de Ag colocado sobre el material tipo n-CdS, mientras que el terminal negativo (—) estará conectado del lado del semiconductor con conductividad eléctrica tipo p-CIT.

Al incrementarse la corriente eléctrica en el LED de luz blanca, aumenta la densidad de potencia óptica (W/m²) y su equivalente potencia óptica (W) haciendo que el voltaje de circuito abierto se desplace hacia valores más altos de voltaje. Similar comportamiento se observa con la corriente de cortocircuito que se incrementa cuando aumentamos I_LED.

Esta dependencia de I_SC y de V_OC con la intensidad de la radiación de la fuente luminosa la podemos interpretar de la siguiente manera: i) Se observa claramente que la relación V_OC vs Irradiancia NO ES LINEAL, pues la curva crece rápidamente a bajas intensidades de iluminación y al aumentar la irradiancia se va aplanando, mostrando eventualmente una dependencia tipo logarítmica del V_OC con la intensidad de iluminación. Es importante destacar que la variación del V_OC es ligeramente dependiente de la irradiancia y en este caso cambió aproximadamente ΔV_OC ≈ 60 mV. ii) La dependencia de la I_SC es evidente que cambia con la irradiancia de manera lineal (dentro de las predicciones y confidencias de bandas indicadas en color verde). En teoría se esperaría que la curva iniciara en I_SC = 0A, pero debido a la existencia de una pequeña "corriente de fuga" cuando el dispositivo de unión p-n está sin iluminación. Es importante destacar que la variación de la I_SC es fuertemente dependiente de la irradiancia y en este caso particular sólo cambió ΔI_SC ≈ 35 µA.

Google Colab

Encontré un código Python para graficar la dependencia de estos dos parámetros I_SC y V_OC con la intensidad de iluminación del dispositivo:

Fuente: Google Colab

Medición de la Corriente eléctrica en función del Voltaje aplicado en la configuración directa SIN ILUMINACIÓN (dark)

Recordemos que en esta configuración, el terminal negativo de la fuente de voltaje está conectado con el semiconductor p-CuInTe₂ y el terminal

positivo

del SourceMeter Keithley 2612B está conectado por el lado del semiconductor n-CdS del dispositivo de unión p-n. Además, en este experimento no iluminaremos el dispositivo para obtener los valores de la corriente equivalente que circula en el dispositivo al aplicar un voltaje.

Tabla 2. Medidas de corriente en función del voltaje aplicado en la configuración directa (en oscuro). Al aumentar el voltaje aplicado se incrementa la corriente que circula en el dispositivo, haciendo que la zona de carga espacial se contraiga, permitiendo así el flujo de electrones y la magnitud de corriente aumente. Ahora veremos la curva característica corriente-voltaje con la configuración directa y sin iluminación.

Esto representa la dependencia típica de un diodo de unión p-n en oscuro. Existe una región de voltaje negativo donde la corriente de fuga es muy pequeña y cambia ligeramente hasta el voltaje de ruptura (que no se ha alcanzado en este dispositivo).

^{Fuente: Google Colab} La corriente va disminuyendo al pasar el tiempo hasta llegar a un periodo de estabilidad (plateau) de ≈ 905 μA en 2 minutos.

Medición de la fotocorriente en función del voltaje aplicado con diferentes potencias de iluminación en configuración directa.

Los cambios en la respuesta fotovoltaica del dispositivo de unión p-n nos permiten estimar la eficiencia de conversión de energía luminosa a energía eléctrica cuando se hace incidir un haz de luz sobre el diodo de unión p-n. La fotocorriente del dispositivo aumenta al incrementarse el voltaje aplicado y también se observa un desplazamiento en el eje vertical y horizontal. Esto se vio en la variación del voltaje de circuito abierto V_OC y corriente de cortocircuito I_SC cuando la irradiancia aumentaba. Los 3 valores encontrados aquí se corresponden con la primera caracterización que hice al inicio de los experimentos: I_LED (mA): 100-500-1000 V = 0V I_SC (μA): -14.95(-15.42); -34.36(36.77); -48.11(53.11) Vale recordar que la configuración inversa está relacionada con la disposición de los terminales de la fuente de voltaje con los semiconductores tipo p y tipo n. El terminal positivo va ahora conectado al lado tipo n-CdS y el terminal negativo se conecta con el semiconductor tipo p-CIT. En términos científicos, solamente se observa un cambio de signo en los valores medidos de corriente. Los que antes eran positivos, ahora resultan ser negativos y viceversa, en comparación con la configuración "directa".

Nuevamente hacemos incidir radiación luminosa desde un LED de luz blanca sobre el dispositivo de unión p-n, pero con la configuración inversa (descrita anteriormente) y medimos la fotocorriente generada al variar el voltaje aplicado. Se invierten los cuadrantes relacionados al modo fotovoltaico (C-IV) y modo fotodetector (C-III) al realizar las mediciones con la configuración inversa.

Aportes de esta publicación.

Al estudiar la curva característica de Corriente-Voltaje de un dispositivo de unión p-n en oscuro y al incidir una densidad de potencia óptica sobre su superficie encontraremos una respuesta fotovoltaica como la descrita en las secciones anteriores.
Podemos concluir que la dependencia del voltaje de circuito abierto con la variación de la intensidad luminosa es ligeramente débil y tiene una forma exponencial [V_OC ​∝ ln(I_fotogenerada​)], mientras que la corriente de cortocircuito está influenciada fuertemente con la potencia óptica del LED y varía linealmente [I_SC ​∝ ln(I_fotogenerada​) ​∝ densidad de potencia óptica], en este caso es directamente proporcional a la corriente en el LED.