Cientistas do Laboratório Nacional de Energia Renovável (NREL) alcançaram um avanço tecnológico para células solares antes consideradas impossíveis.

Os cientistas integraram com sucesso uma fonte de alumínio em seu reator de epitaxia de fase de vapor de hidreto (HVPE), em seguida, demonstrou o crescimento dos semicondutores fosfeto de alumínio e índio (AlInP) e fosfeto de alumínio e gálio e índio (AlGaInP) pela primeira vez por esta técnica.

"Há uma literatura decente que sugere que as pessoas nunca seriam capazes de cultivar esses compostos com epitaxia de fase de vapor de hidreto, "disse Kevin Schulte, um cientista no Materials Applications &Performance Center do NREL e autor principal de um novo artigo destacando a pesquisa. "Essa é uma das razões pelas quais grande parte da indústria III-V optou pela epitaxia de fase vapor metalorgânica (MOVPE), que é a técnica de crescimento III-V dominante. Essa inovação muda as coisas. "

O artigo, "Crescimento de AlGaAs, AlInP, e AlGaInP por Hydride Vapor Phase Epitaxy, "aparece no jornal Materiais de energia aplicada ACS .

As células solares III-V - assim chamadas por causa da posição em que os materiais caem na tabela periódica - são comumente usadas em aplicações espaciais. Notável pela alta eficiência, esses tipos de células são muito caros para uso terrestre, mas os pesquisadores estão desenvolvendo técnicas para reduzir esses custos.

Um método pioneiro no NREL se baseia em uma nova técnica de crescimento chamada epitaxia de fase de vapor de hidreto dinâmico, ou D-HVPE. HVPE tradicional, que por décadas foi considerada a melhor técnica para produção de diodos emissores de luz e fotodetectores para a indústria de telecomunicações, caiu em desuso na década de 1980 com o surgimento do MOVPE. Ambos os processos envolvem o depósito de vapores químicos em um substrato, mas a vantagem pertencia ao MOVPE por causa de sua capacidade de formar heterointerfaces abruptas entre dois materiais semicondutores diferentes, um lugar onde HVPE tradicionalmente lutou.

Isso mudou com o advento do D-HVPE.

Amostra de células solares III-V cultivadas usando células solares HVPE Amostra de alumínio III-V, crescido usando HVPE, são mostrados como filmes finos de Alx (Ga1-x) 0.5In0.5P após a remoção do substrato GaAs ligado a uma alça de vidro para medições de transmissão. A diferença de cor é devido à diferença na composição de Al e Ga. Especificamente, as amostras amarelas são AlInP (sem Ga) e as amostras laranja são AlGaInP. Foto de Dennis Schroeder, NREL

A versão anterior do HVPE usava uma única câmara onde um produto químico era depositado em um substrato, que foi então removido. A química do crescimento foi então trocada por outra, e o substrato retornou à câmara para a próxima aplicação química. O D-HVPE depende de um reator de múltiplas câmaras. O substrato se move para frente e para trás entre as câmaras, reduzindo muito o tempo para fazer uma célula solar. Uma célula solar de junção única que leva uma ou duas horas para ser produzida usando o MOVPE pode ser produzida em menos de um minuto pelo D-HVPE. Apesar desses avanços, O MOVPE ainda possuía outra vantagem:a capacidade de depositar materiais contendo alumínio de grande intervalo de banda que permitem as mais altas eficiências de células solares. HVPE tem lutado por muito tempo com o crescimento desses materiais devido a dificuldades com a natureza química do precursor contendo alumínio usual, monocloreto de alumínio.

Os pesquisadores sempre planejaram introduzir o alumínio no D-HVPE, mas primeiro concentrou seus esforços na validação da técnica de crescimento.

"Tentamos levar a tecnologia adiante em etapas, em vez de tentar fazer tudo de uma vez, "Schulte disse." Nós validamos que podemos cultivar materiais de alta qualidade. Nós validamos que podemos desenvolver dispositivos mais complexos. O próximo passo agora para a tecnologia avançar é o alumínio. "

Os co-autores de Schulte do NREL são Wondwosen Metaferia, John Simon, David Guiling, e Aaron J. Ptak. Eles também incluem três cientistas de uma empresa da Carolina do Norte, Kyma Technologies. A empresa desenvolveu um método para produzir uma molécula única contendo alumínio, que poderia então fluir para a câmara D-HVPE.

Os cientistas usaram um gerador de tricloreto de alumínio, que foi aquecido a 400 graus Celsius para gerar um tricloreto de alumínio a partir de alumínio sólido e cloreto de hidrogênio gasoso. O tricloreto de alumínio é muito mais estável no ambiente do reator HVPE do que a forma de monocloreto. Os outros componentes - cloreto de gálio e cloreto de índio - foram vaporizados a 800 graus Celsius. Os três elementos foram combinados e depositados em um substrato a 650 graus Celsius.

Usando D-HVPE, Os cientistas do NREL anteriormente eram capazes de fazer células solares a partir de arsenieto de gálio (GaAs) e fosfeto de gálio e índio (GaInP). Nessas células, o GaInP é usado como a "camada da janela, "que passiva a superfície frontal e permite que a luz solar alcance a camada absorvente de GaAs abaixo de onde os fótons são convertidos em eletricidade. Esta camada deve ser o mais transparente possível, mas GaInP não é tão transparente quanto o fosfeto de alumínio e índio (AlInP) usado em células solares crescidas com MOVPE. O atual recorde mundial de eficiência para células solares GaAs crescidas em MOVPE que incorporam camadas de janela AlInP é de 29,1%. Com apenas GaInP, a eficiência máxima para células solares cultivadas em HVPE é estimada em apenas 27%.

Agora que o alumínio foi adicionado à mistura de D-HVPE, os cientistas disseram que deveriam ser capazes de atingir a paridade com as células solares feitas via MOVPE.

“O processo HVPE é um processo mais barato, "disse Ptak, um cientista sênior do National Center for Photovoltaics do NREL. "Agora mostramos um caminho para a mesma eficiência que é igual aos outros caras, mas com uma técnica mais barata. Antes, éramos um pouco menos eficientes, mas mais baratos. Agora existe a possibilidade de ser exatamente tão eficiente e barato. ”