Pesquisadores do Laboratório Nacional de Energia Renovável (NREL) do Departamento de Energia dos EUA e da Universidade de New South Wales alcançaram um novo recorde mundial de eficiência para células solares de duas junções, criando uma célula com duas camadas de absorção de luz que converte 32,9% da luz solar em eletricidade.

A chave para o design da célula é uma série de mais de 150 camadas ultrafinas de semicondutores alternados que criam poços quânticos no absorvedor inferior da célula, permitindo que ele capture energia de uma faixa chave do espectro solar. Embora o novo recorde melhore apenas modestamente em relação ao recorde anterior de eficiência de 32,8%, é a primeira célula solar multifuncional com eficiência recorde a usar uma estrutura balanceada - um design que promete melhorias futuras.

A nova célula é descrita em um artigo na Advanced Energy Materials intitulado "High Efficiency Inverted GaAs and GaInP / GaAs Solar Cells With Strain-Balanced GaInAs / GaAsP Quantum Wells." As células têm uma camada de fosfeto de gálio e índio (GaInP) para sua junção superior e uma junção inferior de arsenieto de gálio (GaAs) estriada com 80 camadas empilhadas de poços quânticos. Um poço quântico é criado quando uma fina camada de material semicondutor é imprensada entre duas camadas de material com um espaçamento de banda mais amplo, confinar os portadores de carga à camada central.

Os poços quânticos oferecem possibilidades

A inclusão de tantos poços quânticos na junção inferior diminui o gap efetivo da junção, aumentando o comprimento de onda da luz que pode absorver. Capturar comprimentos de onda mais longos permite que a célula em tandem consiga mais energia do espectro solar, tornando a célula mais eficiente na conversão de luz em eletricidade.

Tradicionalmente, poços quânticos têm sido usados ​​principalmente em lasers, LEDs, e eletrônicos para telecomunicações. Como parte do processo de desenvolvimento, a equipe NREL produziu uma célula de junção única que demonstrou uma eficiência radiativa externa muito alta (> 40%) - a eficiência com a qual a célula converte eletricidade em luz quando funciona ao contrário. Enquanto a equipe não estava tentando construir um dispositivo LED, seus poços quânticos de alta qualidade demonstraram algum potencial nesta área, também.

Balanceamento de tensões desbloqueia novo recorde

Trabalhos anteriores tentaram usar poços quânticos para ajustar o bandgap das junções de células solares, mas não produziu nenhuma célula de eficiência recorde, em parte porque é difícil cultivar muitos, muitas camadas de material de poço quântico de alta qualidade. Se as camadas se tornarem muito espessas ou a tensão mecânica dentro da estrutura do cristal não estiver devidamente equilibrada, a célula desenvolve defeitos.

Para sua célula de recorde mundial, a equipe alternou camadas de arsenieto de gálio e índio - em compressão - e fosforeto de arsenieto de gálio - sob tensão. Controlando cuidadosamente a espessura dessas camadas, a deformação das forças de compressão e tração equilibra-se entre as camadas. Uma série de lasers foi usada para medir a curvatura do wafer ao longo do processo de crescimento, permitindo que os pesquisadores detectem e ajustem a tensão na estrutura do cristal.

"Este trabalho levará a células solares de maior eficiência para aplicações solares, que pode ser um motivador significativo da adoção generalizada dessas células, "disse Myles Steiner, um cientista sênior da equipe NREL. "Agora, um desafio importante à frente é aprender como fabricar essas células de maneira competitiva em termos de custos. "

Colaboração em todo o mundo produz resultados

O desenvolvimento deste projeto de célula cresceu a partir de uma estreita colaboração entre parte do grupo de pesquisa de Fotovoltaica Cristalina de Alta Eficiência do NREL e uma equipe da Universidade de New South Wales (UNSW). Na verdade, Steiner passou 3 meses no início de 2020 em New South Wales com seus colaboradores australianos, trabalhando no projeto como parte de uma bolsa do Programa de Bolsas Fulbright.

"Nossa parceria reuniu a experiência de longa data do NREL em crescimento epitaxial e o trabalho da UNSW em modelagem de células solares, o que nos ajudou a colaborar de forma eficaz à distância, "disse Nicholas Ekins-Daukes, que liderou a equipe UNSW. "Fiquei impressionado com a rapidez com que fomos capazes de desenvolver o primeiro compósito, material semicondutor de deformação balanceada para superar uma célula solar convencional. "