Tecnologia de células fotovoltaicas de junção múltipla

Uma célula fotovoltaica de junção múltipla é uma célula solar com múltiplas junções pn de diferentes materiais semicondutores. Cada junção pn de cada material produz corrente elétrica em resposta a um comprimento de onda diferente da luz. Uma célula simples produz corrente elétrica de um único comprimento de onda no espectro da luz solar. Uma célula solar de célula com múltiplas junções produzirá uma corrente elétrica em múltiplos comprimentos de onda de luz, o que aumenta a eficiência de conversão de energia da luz solar em energia elétrica utilizável.
As células unicolares tradicionais têm uma eficácia teórica máxima de 33,16%. Teoricamente, um número infinito de juntas teria uma eficiência limite de 86,8% sob luz solar altamente concentrada.

Atualmente, os melhores exemplos laboratoriais de células solares de silício cristalino tradicionais têm eficiências entre 20% e 25%, enquanto os exemplos laboratoriais de células com múltiplas junções mostraram um rendimento superior a 46% sob luz solar concentrada. Exemplos comerciais de células em tandem estão amplamente disponíveis a 30% sob iluminação com um sol, e melhoram para cerca de 40% com a luz solar concentrada. No entanto, essa eficiência é obtida à custa de maior complexidade e preço de fabricação. Até o momento, seu preço mais alto e sua maior relação preço / desempenho limitaram seu uso a funções especiais, especialmente no setor aeroespacial, onde sua alta relação potência / peso é desejável. Em aplicações terrestres, essas células solares estão surgindo em concentradores fotovoltaicos (CPV), com um número crescente de instalações em todo o mundo.

Técnicas de fabricação em tandem têm sido usadas para melhorar o desempenho de projetos existentes. Em particular, a técnica pode ser aplicada a células solares de filme fino de baixo custo que usam silício amorfo, ao contrário do silício cristalino convencional, para produzir uma célula com uma eficiência de cerca de 10% que é leve e flexível. Essa abordagem tem sido usada por vários fornecedores comerciais, mas atualmente esses produtos estão limitados a determinados papéis de nicho, como materiais para telhados.

As células unicolares tradicionais têm uma eficiência teórica máxima de 34%. Em um número teoricamente infinito de juntas, a eficiência de células com múltiplas junções seria de 87% sob luz solar altamente concentrada.

Atualmente, os melhores exemplos laboratoriais de células solares de silício tradicionais têm uma eficiência de cerca de 25%, enquanto os exemplos laboratoriais de células multi-junção mostraram um desempenho acima de 43%.

Descrição

Células Multi-Junção
Células feitas de múltiplas camadas de materiais podem ter múltiplas bandgaps e, portanto, responderão a múltiplos comprimentos de onda de luz, capturando e convertendo parte da energia que de outra forma seria perdida para relaxamento como descrito acima.
Por exemplo, se alguém tivesse uma célula com duas bandgaps, uma sintonizada para a luz vermelha e outra para verde, então a energia extra em verde, ciano e azul seria perdida apenas para o bandgap do material verde sensível, enquanto a energia do vermelho, amarelo e laranja seria perdida apenas para o bandgap do material sensível ao vermelho. Após análises semelhantes às realizadas para dispositivos single-bandgap, pode-se demonstrar que as bandgaps perfeitas para um dispositivo de dois intervalos estão em 1,1 eV e 1,8 eV.

Convenientemente, a luz de um determinado comprimento de onda não interage fortemente com materiais que são de bandgap maior. Isso significa que você pode fazer uma célula de junção múltipla colocando os diferentes materiais em camadas uns sobre os outros, comprimentos de onda mais curtos (maior bandgap) no “topo” e aumentando através do corpo da célula. Como os fótons precisam passar pela célula para alcançar a camada adequada a ser absorvida, os condutores transparentes precisam ser usados ​​para coletar os elétrons gerados em cada camada.

Produzir uma célula em tandem não é uma tarefa fácil, em grande parte devido à magreza dos materiais e às dificuldades de extrair a corrente entre as camadas. A solução fácil é usar duas células solares de filme fino separadas mecanicamente e depois conectá-las separadamente fora da célula. Esta técnica é amplamente utilizada por células solares de silício amorfo, os produtos da Uni-Solar usam três dessas camadas para atingir eficiências em torno de 9%. Exemplos de laboratório usando materiais de película fina mais exóticos demonstraram eficiências acima de 30%.

A solução mais difícil é a célula “monoliticamente integrada”, onde a célula consiste de várias camadas que são conectadas mecânica e eletricamente. Essas células são muito mais difíceis de produzir, porque as características elétricas de cada camada têm que ser cuidadosamente combinadas. Em particular, a fotocorrente gerada em cada camada precisa ser combinada, caso contrário, os elétrons serão absorvidos entre as camadas. Isso limita sua construção a certos materiais, melhor atendidos pelos semicondutores III-V.

Escolha material
A escolha dos materiais para cada sub-célula é determinada pelos requisitos para propriedades optoeletrônicas de correspondência de treliça, correspondência de corrente e alto desempenho.

Para um crescimento ideal e a qualidade de cristal resultante, a constante da rede cristalina a de cada material deve ser muito próxima, resultando em dispositivos de treliça. Essa restrição foi relaxada nas células solares metamórficas recentemente desenvolvidas, que contêm um pequeno grau de incompatibilidade de treliça. No entanto, um maior grau de incompatibilidade ou outras imperfeições de crescimento podem levar a defeitos nos cristais causando uma degradação nas propriedades eletrônicas.

Como cada sub-célula é conectada eletricamente em série, a mesma corrente flui através de cada junção. Os materiais são ordenados com bandgaps decrescentes, Eg, permitindo que a luz sub-bandgap ( hc / λ <e • Eg) transmita para as sub-células inferiores. Portanto, bandgaps adequados devem ser escolhidos de forma que o espectro do projeto equilibre a geração atual em cada uma das sub-células, alcançando a correspondência atual. A Figura C (b) plota a irradiância espectral E(λ), que é a densidade de potência da fonte a um dado comprimento de onda λ. Ele é plotado junto com a eficiência máxima de conversão para cada junção como uma função do comprimento de onda, que está diretamente relacionado ao número de fótons disponíveis para conversão em fotocorrente.

Finalmente, as camadas devem ser eletricamente ótimas para alto desempenho. Isso requer o uso de materiais com fortes coeficientes de absorção α (λ), alta vida útil da _minoria , τ _minoria e altas mobilidades µ.

Os valores favoráveis ​​na tabela abaixo justificam a escolha de materiais tipicamente usados ​​para células solares multi-junção: InGaP para a sub-célula superior (E _g = 1.8 – 1.9 eV), InGaAs para a sub-célula média (E _g = 1.4 eV), e Germânio para a sub-célula inferior (E _g = 0,67 eV). O uso de Ge é principalmente devido à sua rede constante, robustez, baixo custo, abundância e facilidade de produção.

Como as diferentes camadas são estreitamente ligadas, a fabricação do dispositivo emprega tipicamente deposição química de vapor de metal orgânico (MOCVD). Esta técnica é preferível à epitaxia por feixe molecular (MBE) porque garante alta qualidade de cristal e produção em larga escala.

Elementos estruturais

Contatos metálicos
Os contatos metálicos são eletrodos de baixa resistividade que fazem contato com as camadas semicondutoras. Eles são frequentemente de alumínio. Isso fornece uma conexão elétrica para uma carga ou outras partes de uma matriz de células solares. Eles geralmente estão nos dois lados da célula. E é importante estar na face traseira para que o sombreado na superfície de iluminação seja reduzido.

Revestimento anti-reflexo
O revestimento antirreflexo (AR) é geralmente composto de várias camadas no caso de células solares MJ. A camada AR superior tem geralmente uma texturização de superfície de NaOH com várias pirâmides para aumentar o coeficiente de transmissão T , a captura da luz no material (porque os fótons não podem facilmente sair da estrutura MJ devido às pirâmides) e, portanto, o comprimento do caminho de fótons no material. ^{R diminui para 1%. No caso de duas camadas AR L ₁ (a camada superior, geralmente SiO 
₂ ) e L ₂ (geralmente TiO 
₂ ), deve haver  ter as mesmas amplitudes para campos refletidos e n _L1 d _L1 = 4λ_min , n _L2 d _L2 = λ _min / 4 para ter fase oposta para campos refletidos. Por outro lado, a espessura de cada camada AR também é escolhida para minimizar a refletância em comprimentos de onda para os quais a fotocorrente é a menor.Conseqüentemente, isso maximiza J _SC ao combinar as correntes das três subcélulas. Como exemplo, como a corrente gerada pela célula inferior é maior que as correntes geradas pelas outras células, a espessura das camadas AR é ajustada para que a transmissão infravermelha (que corresponde à célula inferior) seja degradada enquanto a radiação ultravioleta transmissão (que corresponde à célula superior) é atualizada. Particularmente, um revestimento AR é muito importante em comprimentos de onda baixos porque, sem ele, T seria fortemente reduzido para 70%.}

Junções do túnel
O objetivo principal das junções de túnel é fornecer uma baixa resistência elétrica e uma conexão oticamente de baixa perda entre duas subcélulas.

Assim, os elétrons podem facilmente escavar através da região de depleção. A característica de JV da junção do túnel é muito importante porque explica por que as junções de túnel podem ser usadas para ter uma conexão de baixa resistência elétrica entre duas junções pn. A Figura D mostra três regiões diferentes: a região de tunelamento, a região de resistência diferencial negativa e a região de difusão térmica. A região onde os elétrons podem atravessar a barreira é chamada de região de tunelamento. Lá, a tensão deve ser baixa o suficiente para que a energia de alguns elétrons que são tunelamento seja igual aos estados de energia disponíveis no outro lado da barreira.Consequentemente, a densidade de corrente através da junção do túnel é alta (com valor máximo de  , a densidade de corrente de pico) e a inclinação perto da origem é, portanto, íngreme.Então, a resistência é extremamente baixa e, conseqüentemente, a tensão também. É por isso que as junções de túnel são ideais para conectar duas junções pn sem ter uma queda de tensão.Quando a tensão é maior, os elétrons não podem atravessar a barreira porque os estados de energia não estão mais disponíveis para os elétrons. Portanto, a densidade de corrente diminui e a resistência diferencial é negativa. A última região, chamada região de difusão térmica, corresponde à característica JV do diodo usual:


A fim de evitar a redução do desempenho das células solares MJ, as junções de túnel devem ser transparentes aos comprimentos de onda absorvidos pela próxima célula fotovoltaica, a célula do meio, ou seja, E _gTunnel > E _gMiddleCell .

Camada de janela e campo de superfície traseira
Uma camada de janela é usada para reduzir a velocidade de recombinação de superfície S. Da mesma forma, uma camada de campo de superfície traseira (BSF) reduz o espalhamento de portadores em direção à junção do túnel. A estrutura dessas duas camadas é a mesma: é uma heterojunção que captura elétrons (buracos). De fato, apesar do campo elétrico E _d , estes não podem saltar acima da barreira formada pela heterojunção porque eles não têm energia suficiente, como ilustrado na figura E. Portanto, elétrons (buracos) não podem se recombinar com buracos (elétrons) e não podem difundir através da barreira. A propósito, as camadas de janela e BSF devem ser transparentes aos comprimentos de onda absorvidos pela próxima junção pn, ou seja, E_gWindow > E _gEmitter e E _gBSF > E _gEmitter . Além disso, a constante de rede deve estar próxima da de InGaP e a camada deve ser altamente dopada ( n ≥ 10 ¹⁸ cm ⁻³ ).

Característica JV
Para eficiência máxima, cada subcélula deve ser operada em seus parâmetros de JV ideais, que não são necessariamente iguais para cada subcélula. Se forem diferentes, a corrente total através da célula solar é a mais baixa das três. Por aproximação, resulta na mesma relação para a corrente de curto-circuito da célula solar MJ: J _SC = min (J _SC1 , J _SC2 , _JSC3 ) onde J _SCi (λ) é a densidade de corrente de curto-circuito em um dado comprimento de onda λ para o subcélula i .

Devido à impossibilidade de obter J _SC1 , J _SC2 , J _SC3 diretamente da característica JV total, a eficiência quântica QE (λ) é utilizada. Ele mede a razão entre a quantidade de pares de elétrons-furos criados e os fótons incidentes em um dado comprimento de onda λ. Seja φ _i (λ) o fluxo de fótons da luz incidente correspondente na subcélula i e QE _i (λ) seja a eficiência quântica da subcélula i . Por definição, isso equivale a: 

O valor de  é obtido ligando-o ao coeficiente de absorção  , ou seja, o número de fótons absorvidos por unidade de comprimento por um material. Se for assumido que cada fóton absorvido por um subcélula cria um par de elétrons / furos (o que é uma boa aproximação), isso leva a:

 onde d _i é a espessura do subcélula i e  é a porcentagem de luz incidente que não é absorvida pelo subcélula i .
Da mesma forma, porque  , a seguinte aproximação pode ser usada:  .
Os valores de {\ displaystyle V_ {OCi}}  são então dadas pela equação do diodo JV: 

Eficiência limitante teórica
Podemos estimar a eficiência de limitação de células solares multi- junção infinitas ideais usando a análise gráfica de eficiência quântica (QE) inventada por CH Henry. Para aproveitar plenamente o método de Henry, a unidade da irradiância espectral AM1.5 deve ser convertida para a do fluxo de fótons (ou seja, número de fótons / m ² / s). Para fazer isso, é necessário realizar uma conversão de unidade intermediária do poder de radiação eletromagnética incidente por unidade de área por energia de fóton para o fluxo de fótons por energia de fótons (isto é, de [W / m ² / eV] para [número de fótons / m 2 / s / eV]). Para esta conversão de unidade intermediária, os seguintes pontos devem ser considerados: Um fóton tem uma energia distinta que é definida como segue.

(1): E _ph = h ∙ f = h ∙ (c / λ)
onde E _ph é energia de fóton, h é a constante de Planck (h = 6,626 * 10 ⁻³⁴ [J ∙ s]), c é velocidade da luz (c = 2,998 * 10 ⁸ [m / s]), f é frequência [1 / s] e λ é o comprimento de onda.
Então, o fluxo de fótons por energia de fótons, dn _ph / dhν, com relação a certa irradiância E [W / m ²/ eV], pode ser calculado da seguinte maneira.

(2):  = E / {h ∙ (c / λ)} = E [W / (m ² ∙ eV)] ∙ λ ∙ (10 ⁻⁹ ) / (1.998 ∙ 10 ⁻²⁵ [J ∙ s ∙ m / s]) = E ∙ λ ∙ 5,03 ∙ 10 ¹⁵ [(# de fótons) / (m ² ∙ s ∙ eV)]
Como resultado desta conversão de unidade intermediária, a irradiância espectral AM1.5 é dada em unidade do fluxo de fótons por energia de fóton, [número de fótons / m ² / s / eV]
Com base no resultado acima da conversão da unidade intermediária, podemos derivar o fluxo de fótons integrando numericamente o fluxo de fótons por energia de fótons em relação à energia dos fótons. O fluxo de fótons numericamente integrado é calculado usando a regra Trapezoidal, como segue.

(3): 
Como resultado desta integração numérica, a irradiação espectral AM1.5 é dada em unidade do fluxo de fótons, [número de fótons / m2 / s].

Deve-se notar que não há dados de fluxo de fótons na faixa de energia de pequenos fótons de 0 eV a 0,3096 eV, porque o espectro de energia solar padrão (AM1,5) para hv <0,31 eV não está disponível. Independentemente dessa indisponibilidade de dados, a análise gráfica de QE pode ser feita usando os dados disponíveis apenas com uma suposição razoável de que os semicondutores são opacos para energias de fótons maiores que sua energia bandgap, mas transparentes para energias de fótons menores que sua energia bandgap. Esta suposição é responsável pela primeira perda intrínseca na eficiência das células solares, que é causada pela incapacidade das células solares de junção única de corresponder adequadamente ao amplo espectro de energia solar. No entanto, a atual análise gráfica do QE ainda não consegue refletir a segunda perda intrínseca na eficiência das células solares, a recombinação radiativa. Para levar em consideração a recombinação radiativa, precisamos avaliar primeiro a densidade de corrente radiativa, J _rad . De acordo com o método de Shockley e Queisser, J _rad pode ser aproximado como segue.

(4): 

(5): 
onde E _g está em elétron volts e n é avaliado como sendo 3.6, o valor para GaAs. O incidente absorvido pela radiação térmica J é dado por J _rad com V = 0.

(6): 
A densidade de corrente fornecida à carga é a diferença das densidades de corrente devido à radiação solar e térmica absorvida e à densidade de corrente de radiação emitida a partir da superfície superior ou absorvida no substrato. Definindo J _ph = en _ph , temos

(7): J = J _ph + J _th – J _rad
O segundo termo, _Jésimo , é insignificante comparado ao J _ph para todos os semicondutores com E _g. ≥ 0,3 eV, como pode ser demonstrado pela avaliação da equação J acima. Assim, negligenciaremos este termo para simplificar a discussão a seguir. Então podemos expressar J como segue.

(8): 
A tensão de circuito aberto é encontrada configurando J = 0.

(9): 
O ponto de potência máxima (J _m , V _m ) é encontrado por stetting o derivado  . O resultado familiar deste cálculo é

(10): 

(11): 
Finalmente, o trabalho máximo (W _m ) feito por fóton absorvido, Wm é dado por

(12): 
Combinando as últimas três equações, temos

(13): 

Usando a equação acima, W _m (linha vermelha) é plotada para diferentes valores de E _g (ou n _ph ).
Agora, podemos usar totalmente a análise gráfica de QE de Henry, levando em conta as duas principais perdas intrínsecas na eficiência das células solares. As duas principais perdas intrínsecas são a recombinação radiativa e a incapacidade das células solares de junção única para corresponder adequadamente ao amplo espectro de energia solar. A área sombreada sob a linha vermelha representa o trabalho máximo realizado pelas células solares multi- junção infinitas ideais.Assim, a eficiência de limitação das células solares de junção infinita ideal é avaliada como sendo 68,8% comparando a área sombreada definida pela linha vermelha com a área total de fluxo de fótons determinada pela linha preta. (Este é o motivo pelo qual este método é chamado de análise QE “gráfica”). Embora este valor limite de eficiência seja consistente com os valores publicados por Parrott e Vos em 1979: 64% e 68,2% respectivamente, existe uma pequena diferença entre o valor estimado em este relatório e valores de literatura. Esta pequena diferença é provavelmente devida às diferentes maneiras de como aproximar o fluxo de fótons de 0 eV para 0,3096 eV. Aqui, nós aproximamos o fluxo de fótons de 0 eV a 0,3096 eV como o mesmo que o fluxo de fótons a 0,31 eV.