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Célula Solar com Banda Intermediária

de Ponto Quântico

Rodrigo M. Pereira

Instituto de Física, UFRJ

Seminário fora de área

1o de outubro, 2009

Rodrigo M. Pereira (IF-UFRJ) Célula Solar com Banda Intermediária de PQ Seminário fora de área 1 / 25

Células Solares

Sumário

1 Células Solares

Básico

Histórico

Limite de Shockley & Queisser

2 Célula Solar com Banda Intermediária

Descoberta experimental

Eficiência teórica

3 CSBI de Pontos Quânticos

A ideia

Protótipo

Células Solares Básico

Célula solar: básico

A junção p-n

Célula solar: básico

A junção p-n

Células Solares Histórico

1877 W.G. Adams & R.E. Days: efeito fotovoltaico em selênio

1883 Charles Fritts: 1a célula solar. η = 1%

1888 Edward Weston: 1a patente americana

1905 Einstein: efeito fotoelétrico

1946 R. Ohl: patente da célula de junções semicondutoras

1954 Lab. Bell: sensibilidade do silício dopado

1o dispositivo prático conversor de energia solar. η = 6%

1970 Z. Alferov (URSS): célula de GaAs - alto desempenho

1988 ASEC: produção viável η = 17%. 1993: η = 19%

1989 ASEC: célula de dupla junção η = 20%, máx η = 22%

2000 Tripla junção: η = 24%.

2008 recorde NREL x Fraunhoffer Inst. x Univ. Delaware

η = 40.8% x 41.1% x 42.8%

Células Solares Limite de Shockley & Queisser

O limite de Shockley & Queisser

W. Shockley & H.J. Queisser, J. Appl. Phys. 32, 510 (1961)

"Segunda lei da termodinâmica" para célula solar de uma junção p-n ideal

η = η(xg, xc, ts, f)

xg = Eg/kTs

xc = Tc/Ts

ts = probabilidade de absorção de fóton com hν > Eg

f inclui recombinações de pares e ângulo sólido subentendido pelo sol

Hipóteses para uma primeira estimativa u(xg)

Espectro solar: corpo negro

Célula esférica recebe radiação de todas as direções

Tc = 0

Todo fóton E > hνg produz carga eletrônica q a voltagem Vg = hνg/q

xg = Eg/kTs

xc = Tc/Ts

Tc = 0

xg = Eg/kTs

xc = Tc/Ts

Tc = 0

Número de quanta com ν > νg incidentes por un. de área por un. de tempo:

Q(νg, Ts) =

Z ∞νg

u(ν, Ts)/(hν)dν = (2π/c2)

Z ∞νg

[exp(hν/kTs)− 1]−1 ν2dν

= [2π(kTs)3/h3c2]

Z ∞xg

x2dx/(ex − 1)

Energia total incidente por un. de área por un. de tempo:

Z ∞0

u(ν, Ts)dν = (2πh/c2)

Z ∞0

ν3dν/ [exp(hν/kTs)− 1]

= [2π5(kTs)4/h3c2]

Z ∞0

x3dx/(ex − 1)

Eficiência: u(xg) = hνgQs/Ps

Z ∞xg

x2dx/(ex − 1)i/h Z ∞

x3dx/(ex − 1)i

limxg→0 u(xg) = limxg→∞ u(xg) = 0 ⇒ u(xg) possui máximo

Q(νg, Ts) =

Z ∞νg

= [2π(kTs)3/h3c2]

Z ∞xg

x2dx/(ex − 1)

Z ∞0

= [2π5(kTs)4/h3c2]

Z ∞0

x3dx/(ex − 1)

Z ∞xg

x3dx/(ex − 1)i

Q(νg, Ts) =

Z ∞νg

= [2π(kTs)3/h3c2]

Z ∞xg

x2dx/(ex − 1)

Z ∞0

= [2π5(kTs)4/h3c2]

Z ∞0

x3dx/(ex − 1)

Z ∞xg

x3dx/(ex − 1)i

Q(νg, Ts) =

Z ∞νg

= [2π(kTs)3/h3c2]

Z ∞xg

x2dx/(ex − 1)

Z ∞0

= [2π5(kTs)4/h3c2]

Z ∞0

x3dx/(ex − 1)

Z ∞xg

x3dx/(ex − 1)i

umax(xg) = 44% para xg = 2.2 (Ts = 6000K ⇒ Eg = 1.1 eV )

Cálculo completo considerando Tc = 300K, incidência angular de luz solar,

probabilidade de absorção, recombinações radiativas e não-radiativas no

equilíbrio: resultados em função do parâmetro f

Célula típica de silício: η ≈ 30%

Melhor caso: 40.7%

Célula Solar com Banda Intermediária

Sumário

1 Células Solares

Básico

Histórico

A ideia

Protótipo

Célula Solar com Banda Intermediária Descoberta experimental

Célula solar com banda intermediária

J. Li et al., Appl. Phys. Lett. 60, 2240 (1990)

Célula de Si com camadas defeituosas η = 35.2%

Célula Solar com Banda Intermediária Eficiência teórica

A. Luque & A. Martí, Phys. Rev. Lett. 78, 5014 (1997)

Célula solar com banda intermedária obedece ao limite de Shockley-Queisser?

Definindo uma CSBI ideal

1 Transições não-radiativas proibidas

2 Mobilidade dos portadores infinita

3 Portadores não são extraídos da banda de impureza

4 Absorção perfeita de fótons

5 Radiação sai somente pela área de iluminação

6 Uma das transições sobressai

7 Iluminação isotrópica

A. Luque & A. Martí, Phys. Rev. Lett. 78, 5014 (1997)

Célula solar com banda intermedária obedece ao limite de Shockley-Queisser?

Definindo uma CSBI ideal

1 Transições não-radiativas proibidas

2 Mobilidade dos portadores infinita

3 Portadores não são extraídos da banda de impureza

4 Absorção perfeita de fótons

5 Radiação sai somente pela área de iluminação

6 Uma das transições sobressai

7 Iluminação isotrópica

Generalizando Shockley-Queisser

Variação de fótons no modo νdν

ˆhCi,Vj (ν + 1)fCi(1− fVj )− hVj ,Ci ν fVj (1− fCi)

ˆhCi,Ij (ν + 1)fCi(1− fIj )− hIj ,Ci ν fIj (1− fCi)

ˆhIi,Vj (ν + 1)fIi(1− fVj )− hVj ,Ii ν fVj (1− fIi)

˜limt→∞ ν = αCV νCV +αCIνCI+αIV νIV

αCV +αCI+αIV, onde

νX ≡ 1

e(ε−µX )/kT−1

αXY ≡Pi,j hXi,Yj (fXi − fYj )

Estatística de Bose-Einstein→ fluxo de fótons entrando e saindo da célula

Balanço→ I; Com qV = εg ⇒ potência

Stefan-Boltzman→ potência total incidente→ eficiência

νX ≡ 1

e(ε−µX )/kT−1

νX ≡ 1

e(ε−µX )/kT−1

νX ≡ 1

e(ε−µX )/kT−1

νX ≡ 1

e(ε−µX )/kT−1

Para cada εI há um η máximo variando εg

ηmax = 63.1% para εI = 0.71 eV e

εg = 1.95 eV

Como construir uma CSBI mais próxima possível da ideal?

εg = 1.95 eV

CSBI de Pontos Quânticos

Sumário

1 Células Solares

Básico

Histórico

A ideia

Protótipo

CSBI de Pontos Quânticos A ideia

CSBI de Pontos Quânticos: a ideia

A. Martí et al., Proc. 28th IEEE Photovoltaics Specialists Conference (2000)

Inserção de pontos quânticos entre a junção para criar estados intermediários

Ponto Quântico

"Átomo artificial" - estados confinados

espacialmente

Densidade de estados nula entre BI e BC

Transições ópticas para luz incidente

normal permitidas

Ponto de tamanho realista (39 Å) poderia

possuir εI = 0.71 eV

AlxGa1−xAs (x ≈ 0.4 para Eg = 1.95 eV ) e

InxGa1−xAs (x = 0.58 para V0 = 0.87 eV )

Ponto Quântico

espacialmente

normal permitidas

Ponto Quântico

espacialmente

normal permitidas

Ponto Quântico

espacialmente

normal permitidas

Ponto Quântico

espacialmente

normal permitidas

Ponto Quântico

espacialmente

normal permitidas

Diagramas

CSBI de Pontos Quânticos Protótipo

Protótipo de CSBI de Pontos Quânticos

A. Martí et al., Thin Solid Films 511 - 512 (2006) 638 - 644

Construção de um protótipo e caracterização das amostras

PQs de InAs em GaAs crescidos por

epitaxia de feixe molecular

Camada δ-doping de Si: preenchimento

parcial de níveis intermediários

Células de referência

Elementos de não-idealidade

PQs não periódicos→ estados não estendidos

Gap IB-CB (0.2− 0.3 eV ) longe de 0.71 eV

Wetting layer cria um poço quântico

Características de corrente-voltagem

PQs degradaramm a performance

Pior relação ruído-sinal

Menor potência gerada (η = 9.3% com δ-doping contra 12.1% da GaAs)

Capacitância × Bias reverso

Cargas na camada de depleção→ capacitância

C ≈ Aε

d⇒ C(V = 0)→ d

Resultados indicam que PQs estão totalmente na camada de depleção

C ≈ Aε

d⇒ C(V = 0)→ d

C ≈ Aε

d⇒ C(V = 0)→ d

Apenas algumas camadas de PQs são semipreenchidas

Transporte de portadores na BI→ doping desnecessário

Caracterização detalhada

Eletroluminescência

Espectro de emissão sob bias direto

Eficiência quântica

Monitoração da fotocorrente como função

do comprimento de onda dos fótons

incidentes

Caracterização detalhada

Eletroluminescência

Espectro de emissão sob bias direto

Eficiência quântica

Monitoração da fotocorrente como função

do comprimento de onda dos fótons

incidentes

Identificação de picos facilitada

introduzindo-se

w(λ) =exp (−f ′/f)−min[exp (−f ′/f)]

max [exp (−f ′/f)−min[exp (−f ′/f)]]

Picos 1 e 3: emissões das regiões

dopadas e não-dopadas

Pico a: mínimo da EL

Pico 2: origem desconhecida

GaAs com PQs

4 e 5: de níveis confinados mais

energéticos, possivelmente da

wetting layer

6 e 7: de níveis confinados menos

energéticos

5 e 7 não aparecem na EQ

PQs com δ-doping

4 e 5: aproximadamente nas

mesmas posições

6 e 7: deslocados

8: novo pico; distribuição de

tamanhos de PQ diferente ou

perturbações criadas pelo

δ-doping

Para a célula

Diferença entre 8 e 5 (124meV )

dá o menor εg

Diferença entre 6 e 5 sem

δ-doping (255meV ) é a maior,

embora ainda longe do ideal

(0.71 eV )

Conclusões acerca do protótipo

Crescimento dos pontos quânticos precisa ser melhorado evitando transições

não-radiativas

Gap BI-BC (255meV ) muito baixo, precisa ser aumentado pro valor ideal 0.71 eV

PQs não ordenados no plano de crescimento reduzem a absorção na transição

Baixa densidade de PQs e baixo número de camadas crescidas→ níveis na BI

completos ou vazios

não-radiativas

completos ou vazios

não-radiativas

completos ou vazios

não-radiativas

completos ou vazios

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