Figura 1: Absorções Espectrais (Yastrebova, 2007)
Tabela 1: Eficiências Máximas de MJ (Marti e Araujo, 1996)As células solares multijunção (MJ) usam múltiplas camadas W semicondutoras (subcélulas) para produzir eletricidade com alta eficiência operacional. Cada camada possui um intervalo de banda único W projetado para absorver eficientemente um segmento específico do espectro solar W . Isto tem duas vantagens importantes sobre os dispositivos de junção única (SJ): uma faixa mais ampla de absorção de fótons incidentes W, bem como uma extração de energia mais eficaz desses fótons. O menor gap de banda de uma célula MJ será menor do que o de um band gap SJ típico. Portanto, a célula MJ pode absorver fótons extras que possuem menos energia do que o band gap SJ, mas maior que o seu próprio band gap mais baixo. A célula MJ absorverá os mesmos fótons com mais eficiência, uma vez que ter intervalos de bandas mais próximos da energia do fóton reduzirá as perdas de termalização. Por exemplo, um band gap SJ de 1 eV poderia extrair apenas 1 eV de um fóton de 3 eV com 2 eV desperdiçados por decaimento térmico. Por outro lado, uma célula MJ com um band gap superior de 2 eV extrairá o dobro da energia do mesmo fóton. A Figura 1 ilustra a diferença na absorção de energia entre uma célula tripla MJ e uma célula SJ. As áreas coloridas mostram a quantidade de energia que pode ser extraída por cada célula. A Tabela 1 fornece os intervalos de bandas ideais e as eficiências correspondentes para as células MJ. A tabela ilustra como junções adicionais aumentam a eficiência máxima . Contudo, adicionar junções também aumenta a complexidade e o custo do dispositivo. Deve-se notar que o uso de concentradores dá um impulso adicional à eficiência potencial.
Conteúdo
Produção de energia
Maximizar a geração de energia é o objetivo do projeto de células solares. A potência (P) é um produto simples da corrente (I) e da tensão (V) produzida:
Como um todo, uma célula MJ absorverá um número maior de fótons e gerará mais portadores em comparação com uma célula SJ. No entanto, a corrente produzida é de facto menor porque cada subcélula absorve apenas fotões de um segmento específico do espectro solar. Como as subcélulas estão em série, a lei de Kirchoff W determina que a corrente do dispositivo é limitada pela menor corrente produzida pelas subcélulas (ver Correspondência de Corrente ). No entanto, a produção de energia das células MJ ainda aumenta em relação às células SJ porque a tensão drasticamente mais alta produziu mais do que compensa a corrente mais baixa. Ao contrário da corrente, a tensão é aditiva e os múltiplos intervalos de bandas significam que uma tensão mais alta é obtida dos fótons incidentes.
Outra vantagem de uma célula MJ são as perdas resistivas significativamente menores resultantes de sua corrente mais baixa. Estas perdas de potência (PL) são iguais ao quadrado da corrente (I) multiplicado pela resistência (R):
Isto é particularmente importante para sistemas concentradores que utilizam células MJ, pois produzem correntes muito altas.
Estrutura Celular MJ
Em uma célula MJ, o semicondutor com maior band gap é usado como camada superior. As lacunas de banda são então reduzidas com cada camada adicional. Este design maximiza a extração de energia de fótons, pois a camada superior absorve os fótons de maior energia, permitindo a transmissão de fótons com menos energia. Cada camada subsequente extrai energia dos fótons mais próximos do seu band gap, minimizando assim as perdas de termalização. A camada inferior então absorve todos os fótons restantes acima de seu band gap. Como mostra a Figura 2, a eficiência da célula é mais sensível ao intervalo de bandas da subcélula inferior. As barras de erro indicam a faixa de intervalos de bandas de subcélulas que manteriam uma eficiência teórica máxima dentro de 1% do ideal. Como resultado, a seleção do material para a camada inferior é uma consideração extremamente importante no projeto de um dispositivo MJ.
Figura 2: Sensibilidades de eficiência com band gaps (Marti e Araujo, 1996)A Figura 3 mostra a estrutura detalhada de uma célula solar de junção tripla GaInP (1,8 eV) / GaInAs (1,4 eV) / Ge (0,67 eV). Neste projeto, uma camada de janela de banda larga (transparente) é usada para diminuir a resistência em série de uma célula. Isso é feito aumentando o fluxo lateral de elétrons fotogerados tentando alcançar um contato elétrico ou junção de túnel (ver Junções de Túnel). Uma camada tampão também é usada entre as camadas inferior e intermediária para reduzir os efeitos de incompatibilidade de rede (consulte Correspondência constante de rede).
Figura 3: Estrutura da célula solar tripla (Fetzer, 2004)Fabricação
As células multijunções podem ser construídas mecanicamente ou monoliticamente . No empilhamento mecânico, um conjunto de células de junção única com conjuntos individuais de contatos e intervalos de banda exclusivos são empilhados uns sobre os outros. O volume, o custo de contatos e substratos adicionais e as dificuldades de dispersão de calor tornam este método menos favorecido. Em células monolíticas, cada camada semicondutora com seu band gap único é cultivada sequencialmente para formar um único dispositivo com um conjunto de contatos. A deposição de vapor químico orgânico metálico (MOCVD W ) é o procedimento de crescimento mais comum usado devido à sua precisão, alta qualidade de cristal e escalabilidade. A deposição por evaporação aprimorada por plasma é outro método de fabricação facilmente escalonável e altamente adequado para o crescimento de semicondutores em células MJ.
Junções de túnel
Nas células monolíticas, os contatos positivos e negativos estão situados na parte superior e inferior das células. Como resultado, os portadores fotogerados produzidos nas camadas semicondutoras intermediárias devem viajar através de múltiplas camadas sem se recombinarem para alcançar os contatos. Este é um problema adicional associado às células MJ. Junções de túnel, regiões fortemente dopadas que conectam os terminais n e p de camadas adjacentes, são usadas para auxiliar no transporte deste transportador. Essas junções pn (normalmente heterojunções duplas) são feitas com o objetivo de minimizar perdas elétricas (quedas de tensão) e também perdas ópticas (absorção de fótons). O último é feito usando materiais de junção de túnel com banda larga para permitir que os fótons passem para as camadas inferiores. No entanto, isto torna difícil a obtenção de correntes de pico de tunelamento elevadas, pelo que é necessário afinar a camada de depleção por meio de uma junção altamente dopada (>10 19 cm -3 ). Este projeto promove o tunelamento quântico e ainda serve como uma barreira potencial eficaz para portadores minoritários. No entanto, a física exata por trás do tunelamento quântico ainda não é totalmente compreendida. A Figura 4 à direita mostra o diagrama de bandas de uma junção de heterotúnel duplo.
Figura 4: Diagrama de bandas de uma junção de heterotúnel duplo (Yamaguchi, 2006)Considerações de projeto
Correspondência atual
Como existe apenas um conjunto de contatos na parte superior e inferior para um dispositivo MJ monolítico, as múltiplas subcélulas são conectadas em série e devem obedecer à lei de Kirchoff para correntes. Esta lei determina que a corrente que entra e sai de qualquer junção em série deve ser igual, o que significa que uma célula solar MJ é limitada pela subcélula que produziu a menor corrente. Como resultado, a correspondência de corrente para cada subcélula é de importância crítica no projeto do dispositivo. A corrente produzida por cada subcélula depende de três fatores:
- número de fótons incidentes com energia maior que o band gap
- coeficiente de absorção de material
- espessura da camada
O número de fótons incidentes pode ser definido aproximadamente pela seleção de intervalos de bandas para a subcélula específica e aqueles acima dela. O coeficiente de absorção depende do material específico. Portanto, a correspondência exata das correntes das subcélulas é realizada ajustando as espessuras da camada. Por exemplo, se o número de fótons incidentes que atingem cada camada for igual, uma subcélula com baixo coeficiente de absorção deve ser mais espessa para absorver o mesmo número de fótons (e gerar portadores) que as outras subcélulas.
A correspondência de corrente nas células MJ é extremamente importante, pois qualquer diferença resultará em perdas significativas de corrente e eficiência. Semicondutores com grandes coeficientes de absorção são vantajosos para reduzir custos de materiais e distâncias de transporte de transportadores. As células MJ devem ser cuidadosamente projetadas em relação às seleções de band gap e espessuras de camada, a fim de corresponder às correntes produzidas por cada subcélula.
Correspondência constante de rede
Em dispositivos MJ monolíticos, cada camada semicondutora cresce uma sobre a outra. No entanto, se as constantes da rede dos cristais nas camadas adjacentes não corresponderem, isso resultará em deformação da rede e potencialmente deslocamentos. Essas luxações causam a formação de defeitos na estrutura cristalina, levando a recombinações indesejadas e, subsequentemente, a uma diminuição na eficiência celular. Por esta razão, é vantajoso selecionar materiais semicondutores que tenham constantes de rede correspondentes ou muito semelhantes. A Figura 5 mostra uma lista de semicondutores MJ comuns e suas constantes de rede. As linhas turquesa indicam as constantes de rede para misturas dos dois materiais conectados.
Figura 5: Constantes de rede de ligas semicondutoras (Román, 2004)Pode-se observar que poucos materiais possuem constantes de rede perfeitamente alinhadas. Por esta razão, células MJ W , incompatíveis ou metamórficas estão começando a ser desenvolvidas, pois isso permite um grau muito maior de liberdade na seleção de semicondutores. O potencial das células metamórficas reside na capacidade dos fabricantes de utilizar materiais mais baratos que também possuam intervalos de bandas próximos dos valores ideais para máxima eficiência teórica. Em certos casos, estes benefícios superarão as perdas de recombinação devido à incompatibilidade da rede.
Além disso, existem duas estratégias principais empregadas para reduzir esse efeito de incompatibilidade de rede. O primeiro envolve o uso de uma camada tampão entre dois materiais incompatíveis na rede para combinar as constantes da rede. Esta camada tampão é normalmente graduada em etapas, o que significa que sua constante de rede é lentamente alterada alterando a composição de modo que qualquer extremidade da camada tampão corresponda à sua subcélula adjacente. O segundo método usa um método de crescimento invertido para evitar efeitos de incompatibilidade de rede se as camadas superiores forem combinadas, mas as camadas inferiores não. O processo de crescimento é revertido começando com a camada superior (band gap mais largo) e adicionando camadas subsequentes. O substrato no qual a camada superior foi cultivada é então gravado após o ataque. A Figura 6 mostra o processo para uma célula MJ tripla para camadas superiores (InGaP) e intermediárias (GaAs) com rede correspondente com uma célula inferior incompatível com rede (InGaAs).
Figura 6: Método de crescimento invertido de incompatibilidade de rede (Takamoto, 2009)Materiais
As ligas III-V provaram ser os semicondutores mais adequados para dispositivos MJ por uma série de razões. Primeiro, os intervalos de bandas das ligas abrangem a faixa espectral, permitindo a máxima absorção de fótons. Em segundo lugar, as ligas têm bandas proibidas diretas, o que significa que as vibrações da rede (fônons) não são necessárias para a promoção de elétrons. Isto evita a necessidade de espessura de camada adicional para produzir os fônons, reduzindo assim os custos de material. Além disso, as ligas têm grandes coeficientes de absorção, o que é outra razão pela qual apenas camadas finas são necessárias. Os semicondutores III-V podem ser cultivados em grandes volumes com altas propriedades cristalinas e optoeletrônicas, tornando-os aplicáveis para a produção em larga escala de módulos solares comerciais. Finalmente, as ligas são extremamente duras e possuem alta resistência à radiação e à temperatura, sendo ideais para aplicações espaciais e climáticas extremas.
InGaN
O nitreto de índio e gálio (InGaN) é uma liga III-V com grande potencial para formar células solares MJ econômicas e de altíssima eficiência. Ao variar a proporção índio-gálio no material, seu band gap pode variar de 0,7 eV (InN) a 3,4 eV (GaN), que cobre quase todo o espectro solar. Como os mesmos três elementos são usados para diferentes subcélulas, o processo de deposição em larga escala é simplificado no que diz respeito aos requisitos do equipamento e à limpeza da câmara. InGaN exibe crescimento nanocolunar que aumenta o comprimento óptico para melhorar o aprisionamento de luz e as taxas de absorção. Esta estrutura colunar também reduz deformações e defeitos e aumenta a flexibilidade e a resistência ao desgaste em escala macro.
Referências
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Yamaguchi, M et al. 2006. Células solares concentradoras e multijunções de super alta eficiência. Materiais de Energia Solar e Células Solares . 90: 18-19, páginas 3068-3077
Yastrebova, N. 2007. Células solares multijunções de alta eficiência: Situação atual e potencial futuro. Centro de Pesquisa em Fotônica
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