(Phys.org) —Os cientistas desenvolveram uma nova célula solar multifuncional que, em simulações, pode atingir uma eficiência de 51,8%. Esse alto desempenho excede a meta atual de 50% de eficiência na pesquisa de células solares multifuncionais, bem como o recorde mundial atual de 43,5% para uma célula solar de 3 junções.

O trabalho foi realizado por uma colaboração de pesquisadores do California Institute of Technology em Pasadena; o Instituto Nacional de Padrões e Tecnologia em Gaithersburg, Maryland; a Universidade de Maryland em College Park; e Boeing-Spectrolab, Inc., em Sylmar, Califórnia. A equipe publicou um artigo sobre seu trabalho em uma edição recente da Cartas de Física Aplicada .

Como explicam os pesquisadores, as células solares multifuncionais são um dos dispositivos mais promissores para a conversão eficiente da luz solar em eletricidade. Em células solares multijuncionais, cada junção ou subcélula absorve e converte a luz solar de uma região específica do espectro. As subcélulas podem ser empilhadas umas sobre as outras de modo que a luz do sol atinja primeiro a subcélula de bandgap mais alta, que é sintonizado com a luz com os comprimentos de onda mais curtos ou energias mais altas. Os comprimentos de onda mais longos passam pela primeira subcélula e atingem as subcélulas do bandgap inferior.

Este arranjo oferece uma vantagem significativa sobre as células solares de junção única, que têm uma eficiência teórica máxima de apenas 34%. Em teoria, uma célula solar de "junção infinita" tem uma eficiência teórica máxima de quase 87%. Mas para chegar a este nível, células solares multijuncionais não precisam apenas de múltiplas subcélulas, mas materiais semicondutores ideais para as subcélulas para fornecer uma combinação de intervalos de banda que cobrem o máximo possível do espectro solar.

Para melhorar as melhores células solares multifuncionais atuais, os pesquisadores aqui se concentraram em melhorar a correspondência atual entre as diferentes subcélulas, junto com o uso de um design de malha combinada. Ambos os fatores limitaram anteriormente a eficiência da célula solar multifuncional.

"A correspondência da rede corresponde à correspondência entre as células da unidade de cristal das diferentes subcélulas, "autora principal Marina Leite, um pesquisador de energia no Instituto Nacional de Padrões e Tecnologia, contado Phys.org . "Ao usar subcélulas com correspondência de rede, podemos minimizar deslocamentos e outros defeitos de cristal que podem afetar significativamente o desempenho do dispositivo. Uma correspondência de corrente é necessária para configurações em tandem de dois terminais porque, neste caso, uma única corrente passa por todas as subcélulas e as tensões são adicionadas; Portanto, se uma subcélula tiver menos fotocorrente, ela limitará a corrente gerada por todo o dispositivo. A correspondência atual é desejada para que cada subcélula individual trabalhe em seu próprio ponto de potência máxima de operação. "

Os pesquisadores realizaram simulações de dispositivos completos para investigar a eficiência potencial da célula solar. Para cada camada na modelagem, eles consideraram vários fatores, como a composição do material, estrutura constante, espessura, constante dielétrica, afinidade de elétrons, gap de banda, condução efetiva e densidades de banda de valência, motilidades de elétrons e lacunas, a concentração de dopagem de aceitadores e doadores superficiais, a velocidade térmica dos elétrons e buracos, a densidade da liga, Recombinação Auger para elétrons e lacunas, recombinação banda a banda direta, e quantos fótons com um comprimento de onda específico são absorvidos e refletidos por cada camada com base em suas propriedades dielétricas.

Contabilizando todos esses fatores, as simulações mostraram que o projeto de 3 junções pode atingir uma eficiência de 51,8% sob iluminação de 100 sóis, uma grande melhoria em relação aos melhores 43,5% de eficiência atuais sob iluminação de 418 sóis. Todas as três subcélulas no novo design tinham uma eficiência quântica externa máxima de 80% e absorveram luz de uma ampla faixa do espectro.

"As células solares multifuncionais são testadas sob diferentes números de sóis porque são frequentemente usadas em sistemas concentradores fotovoltaicos, que nos permitem reduzir o tamanho ou o número de células necessárias, "Leite explicou." Essas estratégias toleram o uso de materiais semicondutores mais caros, que de outra forma teria um custo proibitivo. Os resultados certamente podem ser comparados entre si, contanto que as fontes de iluminação estejam bem calibradas. "

Os pesquisadores também construíram uma célula solar de prova de princípio com um design equivalente, que eles fabricaram em um substrato de fosfeto de índio (InP). A célula solar não foi otimizada, então sua eficiência estava longe da previsão teórica, mas os resultados, no entanto, demonstraram a capacidade de realizar experimentalmente o projeto. Os cientistas prevêem que, com mais melhorias, esta célula solar de 3 junções equivalente poderia ter uma eficiência prática de cerca de 20% sob iluminação de 1 sol.

"[A célula solar fabricada] apresenta uma combinação de corrente pobre, mas demonstra nossa capacidade de cultivar compostos semicondutores de alta qualidade com uma densidade extremamente baixa de defeitos e estequiometria muito próxima do que é necessário para o design otimizado, "Leite disse." O design otimizado para bandgap é formado pela mesma classe de ligas, e tem uma ótima partida atual. Então, após a otimização de revestimentos anti-reflexo e outros parâmetros de projeto, as simulações indicam que se pode chegar a mais de 50% sob luz solar concentrada. "

Além de um revestimento anti-reflexo otimizado, algumas das outras melhorias podem envolver a adição de camadas de janela e superfície traseira para reduzir a perda e engrossar as duas subcélulas inferiores para absorver a luz de comprimento de onda mais completamente.

"Estou muito animado com nossos resultados iniciais em relação a um design otimizado para bandgap, "Disse Leite." Num futuro próximo, pretendo trabalhar na integração do design otimizado no modelo de cristal único, a fim de fabricar um primeiro InAlAs monolítico (1,93 eV) / (1,39 eV) InGaAsP / (0,94 eV) InGaAs solar célula. Simultaneamente, estamos procurando opções de revestimento anti-reflexo para a subcélula superior InAlAs, que exigirá um material livre de oxigênio ou a combinação de um óxido e um sulfeto como camada protetora. "

Copyright 2013 Phys.org
Todos os direitos reservados. Este material não pode ser publicado, transmissão, reescrito ou redistribuído no todo ou em parte sem a permissão expressa por escrito do Phys.org.