Cuando la luz incide sobre el silicio amorfo hidrogenado, muestra un cambio metaestable en las propiedades fotovoltaicas. Cuando el silicio amorfo hidrogenado es expuesto prolongadamente a la luz su eficiencia para producir electricidad disminuye que se llama Efecto Staebler Wronski. Esta degradación de la producción eléctrica del silicio amorfo hidrogenado se debe a una iluminación prolongada. David L. Staebler y Christopher R. Wronski descubrieron este hecho en 1977. La intensidad de la degradación depende del coeficiente de difusión del hidrógeno y de la formación de enlaces locales promovidos por el hidrógeno.
Explicación del efecto Staebler-Wronski
El La teoría de Stabler Wronski sugirió que cuando la luz intensa cae sobre el silicio amorfo hidrogenado, se crean los pares electrón-agujero que de nuevo se combinan con los enlaces vecinos de Si-Si que tienen una base débil. Durante el proceso de recombinación se libera una tremenda cantidad de energía que crea defectos y causa la degradación de la estructura no cristalina del silicio amorfo hidrogenado. Las recombinaciones ocurren especialmente en aquellas regiones donde los bordes de la banda están muy cerca unos de otros energéticamente y también tienen la menor concentración de hidrógeno.
La rotura conduce a una mayor difusión del hidrógeno y a la creación de enlaces colgantes (H átomo forma un nuevo vínculo con el átomo vecino de Si), y esto reduce el flujo de corriente al aprovechar los pares de electrones-agujero. El movimiento de los átomos de hidrógeno es responsable de la creación de los enlaces colgantes. Este fenómeno en el silicio amorfo hidrogenado reduce la conversión de la energía de la luz en energía eléctrica. El Efecto Staebler Wronski reduce la eficiencia de célula solar hasta el 15% dentro de las primeras 1.000 horas.
Factores que afectan al efecto Staebler-Wronski
- Concentración de hidrógeno La concentración de hidrógeno juega un papel importante en Efecto Staebler-Wronskique rompe más vínculos y causa vínculos colgantes que obstruyen el flujo de electrones.
- El estado físico del silicio Se ha observado que el silicio amorfo hidrogenado es más adecuado para fabricar la célula solar que el silicio nanocristalino. El silicio amorfo contiene la cantidad sustancial de hidrógeno que pasiva los enlaces colgantes de Si y resulta en una propiedad eléctrica mejorada. Pero tiene la propiedad de formar un enlace Si-H que se degrada al empapar la luz y alcanza un estado metaestable y este desorden del silicio amorfo sufre más del efecto Staebler-Wronski.
- Concentración de impurezas La eficiencia del silicio amorfo hidrogenado depende de la calidad del material. El efecto Staebler-Wronski se asocia con la concentración de impurezas en el material y este efecto causa el bloqueo en la aniquilación. Pero ahora esta teoría no se sostiene ya que está bien establecida por los experimentos que la mejor calidad de silicio amorfo hidrogenado (a-Si:H) tiene una distribución homogénea de hidrógeno y el hidrógeno aumenta la brecha de banda en el silicio amorfo hidrogenado, lo que crea fluctuaciones de densidad.
- Temperatura El efecto Staebler-Wronski es más efectivo por debajo de 400ok. Pero a alta temperatura el efecto Staebler-Wronski se reduce drásticamente. Calentar el material por encima de 200oC puede recocer el efecto. Después de una temperatura sostenida, la rotura por el par de bonos es limitada y la curación supera a las roturas y la recuperación comienza a partir de ahí. El efecto Staebler-Wronski desaparece cuando la brecha de la banda cae por debajo del nivel crítico.
Métodos para superar el efecto Staebler-Wronski
- Uso de silicio policristalino, multicristalino o monocristalino en lugar de silicio amorfo, ya que muestran más estabilidad que el a-Si.
- Trabajando a alta temperatura ya que este efecto desaparece o se debilita a alta temperatura.
- Usar una célula solar multiunión. En esta célula, se apilan finas capas de silicio amorfo con algunos otros materiales para formar una célula solar. Cuando la intensidad campo eléctrico pasa a través de estas capas de silicio amorfo, el efecto de Staebler-Wronski se reduce.
Propiedades paramagnéticas del silicio amorfo
El defecto metaestable del Silicio Amorfo muestra propiedades paramagnéticas que varían con respecto al entorno microscópico. Estos defectos del a-Si en realidad vienen en dos tipos. Uno está distribuido uniformemente y el otro se concentra en racimos dentro de la superficie interna de la célula durante el proceso de fabricación. Los grupos de defectos se generan en las paredes internas de los microeventos que contribuyen a la degradación del silicio amorfo inducida por la luz en la célula solar de capa fina.
