Fonte: energy.gov
FUNDO
Os dispositivos multifuncionais de alta eficiência usam vários intervalos de banda, ou junções, ajustados para absorver uma região específica do espectro solar para criar células solares com eficiência recorde acima de 45%. A máxima eficiência teórica que uma célula solar com intervalo de banda única pode alcançar com a luz solar não concentrada é de cerca de 33,5%, principalmente por causa da ampla distribuição de fótons emitidos por energia solar. Essa eficiência limitante, conhecida como limite de Shockley-Queisser, decorre do fato de que a tensão de circuito aberto (Voc) de uma célula solar é limitada pelo intervalo de banda do material absorvente e que fótons com energia abaixo do intervalo de banda não são absorvidos. Fótons que possuem energias maiores que o bandgap são absorvidos, mas a energia maior que o bandgap é perdida como calor.
Os dispositivos multifuncionais usam uma célula superior de alto intervalo de banda para absorver fótons de alta energia, permitindo a passagem dos fótons de menor energia. Um material com um intervalo de banda ligeiramente inferior é então colocado abaixo da junção de intervalo de banda alto para absorver fótons com um pouco menos de energia (comprimentos de onda mais longos). As células multifuncionais típicas usam duas ou mais junções absorventes e a eficiência máxima teórica aumenta com o número de junções. Pesquisas iniciais em dispositivos multifuncionais alavancaram as propriedades de semicondutores compostos de elementos nas colunas III e V da tabela periódica, como fosfato de gálio e índio (GaInP), arseneto de gálio e índio (GaInAs) e arseneto de gálio (GaAs). Os dispositivos de três junções que usam semicondutores III-V atingiram eficiências superiores a 45% usando a luz solar concentrada. Essa arquitetura também pode ser transferida para outras tecnologias de células solares, e células multijuncionais feitas de CIGS, CdSe, silício, moléculas orgânicas e outros materiais estão sendo investigadas.
No passado, os dispositivos multifuncionais eram usados principalmente no espaço, onde há um prêmio à geração de energia leve, que permite o uso dessa tecnologia solar de custo relativamente alto. Para aplicações terrestres, os altos custos desses substratos semicondutores (em comparação com o silício, por exemplo) podem ser compensados usando a ótica de concentração, com os sistemas atuais principalmente usando lentes Fresnel. A ótica de concentração aumenta a quantidade de luz incidente na célula solar, levando a mais produção de energia. O uso da óptica de concentração requer o uso de rastreamento solar de eixo duplo, que deve ser levado em consideração no custo do sistema.
INSTRUÇÕES DE PESQUISA
Embora as células III-V com múltiplas funções tenham maior eficiência do que as tecnologias concorrentes, essas células solares são consideravelmente mais caras devido às técnicas e materiais de fabricação atuais. Portanto, os esforços ativos de pesquisa são direcionados para reduzir o custo da eletricidade gerada por essas células solares por meio de abordagens como o desenvolvimento de novos materiais de substrato, materiais absorventes e técnicas de fabricação; aumentando a eficiência; e estendendo o conceito de multijunção a outras tecnologias fotovoltaicas. Além disso, devido ao custo de tais células solares, o desenvolvimento de soluções confiáveis de baixo custo para rastreamento e concentração também são áreas ativas de pesquisa para apoiar reduções de custos em sistemas fotovoltaicos usando células multifuncionais.
Saiba mais sobre os premiados e os projetos que envolvem células III-V de alta eficiência abaixo.
Universidade Estadual de Ohio: Columbus Campus (Pesquisa e Desenvolvimento Fotovoltaicos)
Universidade Estadual do Arizona (Pesquisa e Desenvolvimento Fotovoltaicos)
University of Oregon (Pesquisa e Desenvolvimento Fotovoltaicos: Pequenos Projetos Inovadores em Solar)
Escola de Minas e Tecnologia de Dakota do Sul (Pesquisa e Desenvolvimento Fotovoltaicos: Pequenos Projetos Inovadores em Solar)
Universidade Estadual do Arizona (Pesquisa e Desenvolvimento Fotovoltaicos: Pequenos Projetos Inovadores em Solar)
nLiten Energy (Pesquisa e Desenvolvimento Fotovoltaicos: Pequenos Projetos Inovadores em Solar)
Universidade da Califórnia, Berkeley (projetos de geração fotovoltaica II de próxima geração)
Instituto de Tecnologia da Califórnia (projetos fotovoltaicos II de próxima geração)
North Carolina State University (Programa Fundamental para o Avanço da Eficiência Celular)
Laboratório Nacional de Energia Renovável (Programa Fundamental para o Avanço da Eficiência Celular)
Universidade Estadual de Ohio (Programa Fundamental para o Avanço da Eficiência Celular)
Universidade de Houston (Projetos fotovoltaicos de próxima geração 3)
Laboratório Nacional de Energia Renovável (Projetos Fotovoltaicos de Próxima Geração 3)
BENEFÍCIOS
Os benefícios das células solares multifuncionais III-V incluem:
Correspondência de espectro: células de alta eficiência (> 45%) podem ser fabricadas combinando seções do espectro solar com camadas absorventes específicas com intervalos de banda específicos.
Estrutura cristalina: As várias combinações de semicondutores III-V possuem estruturas cristalinas semelhantes e propriedades ideais para células solares, incluindo comprimentos de difusão de excitons longos, mobilidade de portadores e espectros de absorção compatíveis.
PRODUÇÃO
As células tradicionais III-V de múltiplas funções são montadas em uma pilha monolítica epitaxial com sub-células conectadas em série através de junções de túneis. A construção de uma célula multijunção em uma pilha monolítica resulta em restrições de material, e a fabricação desses dispositivos é facilitada se as camadas individuais das subcélulas tiverem posições de treliça atômica compatíveis e forem compatíveis com a treliça. Essa vantagem da correspondência de treliça é o motivo pelo qual a Ge, que é compatível com algumas ligas III-V, é tradicionalmente usada como substrato e célula de bandgap estreita nos MJs. As limitações de correspondência de treliça podem ser superadas com complexidade adicional usando a ligação de wafer ou camadas de buffer metamórficas.
A camada de junção de túnel é construída pela interface de camadas p ++ e n ++ altamente dopadas. A interação dessas camadas resulta em uma região de carga espacial espacialmente estreita, que permite que a corrente flua entre as sub-células. Camadas com alto intervalo de banda, conhecidas como camadas de janela e campos de superfície posterior, podem ser adicionadas para passivar estados de superfície na interface entre uma sub-célula e a junção do túnel, que se deixadas não passivadas, podem interceptar transportadoras e acelerar a recombinação.
Se as sub-células estiverem conectadas em série, a sub-célula que conduz a menor corrente limita a corrente máxima que pode fluir através do dispositivo. Portanto, um esforço considerável é colocado no ajuste da corrente das subcélulas. O acoplamento luminescente entre subcélulas pode relaxar alguns dos requisitos de design correspondentes à corrente.
As células solares multifuncionais III-V podem ser fabricadas usando técnicas de epitaxia de feixe molecular (MBE), mas a fabricação em grandes reatores de deposição de vapor químico em metal orgânico (MOCVD) é típica para a produção em escala comercial de dispositivos GaInP / GaInAs / Ge. As camadas podem ser cultivadas a partir de trimetil-gálio (Ga (CH3) 3), trimetilindio (InC3H9), arsina (AsH3) e fosfina (PH3) em um gás transportador de hidrogênio e usando dopantes como seleneto de hidrogênio (H2Se), silano (SiH6), e dietil-zinco ((C2H5) 2Zn). O uso da ótica de concentração permite que as células individuais sejam bem pequenas - às vezes, tão pequenas quanto o tamanho da ponta de um lápis. Portanto, essas técnicas permitem que centenas de células solares sejam cultivadas em lotes únicos. Estão sendo feitas pesquisas para reduzir ainda mais o tamanho das células e aumentar o número de células que podem ser cultivadas a partir de uma única bolacha, o que ajudará a reduzir o custo por célula.
