Célula Solar com Banda Intermediária de Ponto Quântico

(1)

de Ponto Quântico

Rodrigo M. Pereira

Instituto de Física, UFRJ

Seminário fora de área

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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

(3)

Célula solar: básico

(4)

Célula solar: básico

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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

1odispositivo 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%

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1883 Charles Fritts: 1a_{célula solar. η = 1%} 1888 Edward Weston: 1a_{patente americana} 1905 Einstein: efeito fotoelétrico

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1odispositivo prático conversor de energia solar. η = 6% 1970 Z. Alferov (URSS): célula de GaAs - alto desempenho

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1988 ASEC: produção viável η = 17%. 1993: η = 19% 1989 ASEC: célula de dupla junção η = 20%, máx η = 22%

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1989 ASEC: célula de dupla junção η = 20%, máx η = 22% 2000 Tripla junção: η = 24%.

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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

finclui 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

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O limite de Shockley & Queisser

η = η(xg, xc, ts, f )

xg = Eg/kTs

xc= Tc/Ts

Hipóteses para uma primeira estimativa u(xg) Espectro solar: corpo negro

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O limite de Shockley & Queisser

η = η(xg, xc, ts, f )

xg = Eg/kTs

xc= Tc/Ts

Hipóteses para uma primeira estimativa u(xg)

Espectro solar: corpo negro

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Número de quanta com ν > νgincidentes 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: Ps = 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 = hxg Z ∞ xg x2dx/(ex− 1)i/h Z ∞ 0 x3dx/(ex− 1)i

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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%

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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

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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

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Sumário

(23)

Célula solar com banda intermediária

J. Li et al., Appl. Phys. Lett.60, 2240 (1990) Célula de Si com camadas defeituosas η = 35.2%

(24)

Célula solar com banda intermediária

(25)

Célula solar com banda intermediária

(26)

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}

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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}

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Generalizando Shockley-Queisser

Variação de fótons no modo ν dν dt = X i,j ˆhCi,Vj(ν + 1)fCi(1 − fVj) − hVj,Ciν fVj(1 − fCi) ˜ + X i,j ˆhCi,Ij(ν + 1)fCi(1 − fIj) − hIj,Ciν fIj(1 − fCi) ˜ + X i,j ˆhIi,Vj(ν + 1)fIi(1 − fVj) − hVj,Iiν fVj(1 − fIi) ˜ limt→∞ν = αCVνCV_α +αCIνCI+αIVνIV CV+αCI+αIV , onde νX ≡ 1 e(−µX )/kT−1 αXY ≡Pi,jhXi,Yj(fXi− fYj)

Estatística de Bose-Einstein → fluxo de fótons entrando e saindo da célula Balanço → I; Com qV = g ⇒ potência

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Generalizando Shockley-Queisser

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Generalizando Shockley-Queisser

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

Balanço → I; Com qV = g ⇒ potência

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Generalizando Shockley-Queisser

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Generalizando Shockley-Queisser

(33)

Para cada Ihá um η máximo variando g ηmax= 63.1%para I= 0.71 eV e g= 1.95 eV

(34)

Para cada Ihá um η máximo variando g

ηmax= 63.1%para I= 0.71 eV e

g= 1.95 eV

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Para cada Ihá um η máximo variando g

ηmax= 63.1%para I= 0.71 eV e

g= 1.95 eV

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Sumário

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CSBI de Pontos Quânticos: a ideia

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

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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 I= 0.71 eV

AlxGa1−xAs (x ≈ 0.4 para Eg = 1.95 eV) e InxGa1−xAs (x = 0.58 para V0= 0.87 eV)

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Ponto Quântico

Densidade de estados nula entre BI e BC

Transições ópticas para luz incidente normal permitidas

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Ponto Quântico

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Ponto Quântico

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Ponto Quântico

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

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Ponto Quântico

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

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Protótipo de CSBI de Pontos Quânticos

A. Martí et al., Thin Solid Films511 - 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

(47)

Protótipo de CSBI de Pontos Quânticos

Células de referência Elementos de não-idealidade

(48)

Protótipo de CSBI de Pontos Quânticos

Células de referência

Elementos de não-idealidade

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Características de corrente-voltagem

PQs degradaramm a performance

Pior relação ruído-sinal

(50)

Capacitância × Bias reverso

Cargas na camada de depleção → capacitância

C ≈ A

d ⇒ C(V = 0) → d

(51)

Capacitância × Bias reverso

Cargas na camada de depleção → capacitância C ≈ A

d ⇒ C(V = 0) → d

(52)

Capacitância × Bias reverso

Cargas na camada de depleção → capacitância C ≈ A

d ⇒ C(V = 0) → d

(53)

Apenas algumas camadas de PQs são semipreenchidas Transporte de portadores na BI → doping desnecessário

(54)

Apenas algumas camadas de PQs são semipreenchidas

(55)

Apenas algumas camadas de PQs são semipreenchidas Transporte de portadores na BI → doping desnecessário

(56)

Caracterização detalhada

Eletroluminescência

Espectro de emissão sob bias direto

Eficiência quântica

Monitoração da fotocorrente como função do comprimento de onda dos fótons incidentes

(57)

Caracterização detalhada

Eletroluminescência

Espectro de emissão sob bias direto

Eficiência quântica

Monitoração da fotocorrente como função do comprimento de onda dos fótons incidentes

(58)

Identificação de picos facilitada introduzindo-se

w(λ) = exp (−f

0

/f ) −min[exp (−f0/f )] max [exp (−f0_{/f ) −}_{min[exp (−f}0_{/f )]]}

(59)

GaAs

Picos 1 e 3: emissões das regiões dopadas e não-dopadas

Pico a: mínimo da EL Pico 2: origem desconhecida

(60)

GaAs com PQs

4 e 5: de níveis confinados mais energéticos, possivelmente da wetting layer

6 e 7: de níveis confinados menos energéticos

(61)

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

(62)

Para a célula

Diferença entre 8 e 5 (124 meV ) dá o menor g

Diferença entre 6 e 5 sem δ-doping (255 meV ) é a maior, embora ainda longe do ideal (0.71 eV )

(63)

Conclusões acerca do protótipo

Crescimento dos pontos quânticos precisa ser melhorado evitando transições não-radiativas

Gap BI-BC (255 meV ) muito baixo, precisa ser aumentado pro valor ideal 0.71 eV PQs não ordenados no plano de crescimento reduzem a absorção na transição BI-BC

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

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Conclusões acerca do protótipo

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

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

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Conclusões acerca do protótipo

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