As células solares multi-junção (MJ) são células solares com múltiplas junções p-n feitas de diferentes materiais semicondutores. A junção pn de cada material produzirá corrente elétrica em resposta a diferentes comprimentos de onda da luz. O uso de múltiplos materiais semicondutores permite a absorção de uma faixa mais ampla de comprimentos de onda, melhorando a luz solar da célula para a eficiência da conversão de energia elétrica.

As células tradicionais de junção única têm uma eficiência teórica máxima de 33,16%.Teoricamente, um número infinito de junções teria uma eficiência limitante de 86,8% sob luz solar altamente concentrada.

Atualmente, os melhores exemplos de laboratório de células solares de silício cristalino tradicionais têm eficiências entre 20% e 25%, enquanto exemplos de células multijunção demonstraram desempenho acima de 46% sob luz solar concentrada. Exemplos comerciais de células em tandem estão amplamente disponíveis a 30% sob iluminação de um sol e melhoram para cerca de 40% sob luz solar concentrada. No entanto, essa eficiência é obtida ao custo de maior complexidade e preço de fabricação. Até o momento, o preço mais alto e a maior relação preço-desempenho limitaram seu uso a papéis especiais, especialmente no setor aeroespacial, onde sua alta relação potência / peso é desejável. Em aplicações terrestres, essas células solares estão surgindo em fotovoltaicos concentradores (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 película fina de baixo custo utilizando silício amorfo, em oposição ao silício cristalino convencional, para produzir uma célula com uma eficiência de cerca de 10% que seja 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.

Descrição

Noções básicas de células solares

As células fotovoltaicas tradicionais são comumente compostas de silício dopado com contatos metálicos depositados na parte superior e inferior. A dopagem é normalmente aplicada a uma camada fina no topo da célula, produzindo uma junção pn com uma energia bandgap particular, eg.

Os fótons que atingem o topo da célula solar são refletidos ou transmitidos para a célula. Os fótons transmitidos têm o potencial de fornecer sua energia, h ν , a um elétron se , por exemplo, gerar um par de elétrons-furos. Na região de depleção, o campo elétrico de deriva, Edrift, acelera tanto os elétrons quanto os buracos em direção às suas respectivas regiões dopadas com n e dopadas com p (para cima e para baixo, respectivamente). A corrente resultante Ig é chamada de fotocorrente gerada. Na região quase neutra, o campo elétrico de espalhamento Escatt acelera buracos (elétrons) na direção da região dopada com n (n-dopada), o que resulta em uma Ipscatt de dispersão de luz (Inscatt). Consequentemente, devido ao acúmulo de cargas, um potencial V e uma fotocorrente Iph aparecem. A expressão para esta fotocorrente é obtida adicionando-se fotocorrentes de geração e dispersão: Iph = Ig + Inscatt + Ipscatt.

As características de JV (J é densidade de corrente, isto é, corrente por unidade de área) de uma célula solar sob iluminação são obtidas deslocando as características JV de um diodo no escuro para baixo por Iph. Como as células solares são projetadas para fornecer energia e não absorver, a energia P = V · Iph deve ser negativa. Assim, o ponto de operação (Vm, Jm) está localizado na região onde V> 0 e Iph <0, e escolhido para maximizar o valor absoluto da potência | P |. Mecanismos de perda O desempenho teórico de uma célula solar foi estudado em profundidade na década de 1960 e hoje é conhecido como o limite Shockley-Queisser. O limite descreve vários mecanismos de perda que são inerentes a qualquer projeto de célula solar. As primeiras são as perdas devidas à radiação do corpo negro, mecanismo de perda que afeta qualquer objeto material acima do zero absoluto. No caso de células solares a temperatura e pressão padrão, essa perda é responsável por cerca de 7% da energia. O segundo é um efeito conhecido como "recombinação", onde os elétrons criados pelo efeito fotoelétrico encontram os furos de elétrons deixados pelas excitações anteriores. Em silício, isso representa outros 10% da energia. No entanto, o mecanismo de perda dominante é a incapacidade de uma célula solar de extrair toda a energia à luz, e o problema associado de não poder extrair energia alguma de certos fótons. Isso se deve ao fato de que os fótons devem ter energia suficiente para superar o bandgap do material. Se o fóton tiver menos energia que o bandgap, ele não será coletado. Esta é uma consideração importante para as células solares convencionais, que não são sensíveis à maior parte do espectro infravermelho, embora isso represente quase metade da energia proveniente do sol. Por outro lado, os fótons com mais energia do que o bandgap, diz a luz azul, inicialmente ejetam um elétron para um estado bem acima do bandgap, mas essa energia extra é perdida por meio de colisões em um processo conhecido como "relaxamento". Esta energia perdida se transforma em calor na célula, que tem o efeito colateral de aumentar ainda mais as perdas de corpos negros. Combinando todos esses fatores, a eficiência máxima para um material de fita única, como as células de silício convencionais, é de cerca de 34%. Ou seja, 66% da energia da luz solar que atinge a célula será perdida. Preocupações práticas reduzem ainda mais isso, especialmente a reflexão da superfície frontal ou dos terminais metálicos, com células modernas de alta qualidade em cerca de 22%. Mais baixo, também chamado de materiais de bandgap mais estreitos, converterá fótons de menor comprimento de onda e menor energia. Materiais de bandgap mais altos ou mais largos converterão comprimentos de onda mais curtos, luz de energia mais alta. Uma análise do espectro AM1.5 mostra que o melhor equilíbrio é alcançado em cerca de 1,1 eV (cerca de 1100 nm, no infravermelho próximo), o que acontece de ser muito próximo do bandgap natural em silício e de vários outros semicondutores úteis. 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 Categorias Tecnologia η (%) V _OC (V) Eu _SC (A) W / m² t (µm) Células de silício cristalino Monocristalino 24,7 0,5 0,8 63 100 Polissilício 20,3 0,615 8,35 211 200 Células solares de película fina Silício amorfo 11,1 0,63 0,089 33 1 CdTe 16,5 0,86 0,029 – 5 CIGS 19,5 – – – 1 Células Multi-Junção MJ 40,7 2,6 1,81 476 140

As células solares MJ e outros dispositivos fotovoltaicos têm diferenças significativas (veja a tabela acima). Fisicamente, a principal propriedade de uma célula solar MJ é ter mais de uma junção pn, a fim de capturar um espectro maior de energia de fótons, enquanto a principal propriedade da célula solar de filme fino é usar filmes finos em vez de espessas camadas para diminuir a relação custo / benefício. A partir de 2010, os painéis solares MJ são mais caros do que outros. Essas diferenças implicam diferentes aplicações: as células solares MJ são preferidas no espaço e as células solares c-Si para aplicações terrestres.

As eficiências das células solares e da tecnologia solar Si são relativamente estáveis, enquanto a eficiência dos módulos solares e tecnologia multi-junção estão progredindo.

Medições em células solares MJ são geralmente feitas em laboratório, usando concentradores de luz (este não é o caso para as outras células) e sob condições de teste padrão (STCs). Os STCs prescrevem, para aplicações terrestres, o espectro AM1.5 como referência. Esta massa de ar (AM) corresponde a uma posição fixa do sol no céu de 48 ° e uma potência fixa de 833 W / m². Portanto, as variações espectrais da luz incidente e os parâmetros ambientais não são levados em consideração no STC.

Consequentemente, o desempenho das células solares MJ no ambiente terrestre é inferior ao alcançado em laboratório. Além disso, as células solares MJ são projetadas de tal forma que as correntes são equiparadas ao STC, mas não necessariamente sob condições de campo. Pode-se usar QE (λ) para comparar desempenhos de diferentes tecnologias, mas QE (λ) não contém informações sobre a correspondência de correntes de sub-células. Um importante ponto de comparação é a energia de saída por unidade de área gerada com a mesma luz incidente.

Aplicações

A partir de 2010, o custo das células solares MJ era muito alto para permitir o uso fora de aplicações especializadas. O alto custo deve-se principalmente à estrutura complexa e ao alto preço dos materiais. No entanto, com concentradores de luz sob iluminação de pelo menos 400 sóis, os painéis solares MJ tornam-se práticos.

À medida que materiais multi-junção mais baratos se tornam disponíveis, outras aplicações envolvem a engenharia bandgap para microclimas com condições atmosféricas variadas.

Células MJ estão atualmente sendo utilizadas nas missões de rover de Marte.

O ambiente no espaço é bem diferente. Porque não há atmosfera, o espectro solar é diferente (AM0). As células têm uma fraca correspondência de corrente devido a um maior fluxo de fótons acima de 1,87eV versus aqueles entre 1,87eV e 1,42eV. Isso resulta em corrente insuficiente na junção GaAs e dificulta a eficiência geral, já que a junção InGaP opera abaixo da corrente MPP e a junção GaAs opera acima da corrente MPP. Para melhorar a correspondência de corrente, a camada InGaP é intencionalmente afinada para permitir que fótons adicionais penetrem na camada inferior de GaAs.

Em aplicações de concentração terrestre, a dispersão da luz azul pela atmosfera reduz o fluxo de fótons acima de 1,87 eV, equilibrando melhor as correntes de junção. Partículas de radiação que não são mais filtradas podem danificar a célula. Existem dois tipos de danos: ionização e deslocamento atômico. Ainda assim, as células MJ oferecem maior resistência à radiação, maior eficiência e menor coeficiente de temperatura.