UNIVERSIDADE DE LISBOA
FACULDADE DE CIÊNCIAS
DEPARTAMENTO DE ENGENHARIA GEOGRÁFICA, GEOFÍSICA E ENERGIA
Simulação Numérica do Desempenho de Células Solares
Ana Rita Neto Matias
Mestrado Integrado em Engenharia da Energia e do Ambiente
Dissertação orientada por:
Doutor José Silva
Agradecimentos
Quero agradecer ao meu orientador Dr. José Silva por todo o apoio prestado, pelo tempo que disponibilizou para a realização de reuniões, para esclarecer todas as dúvidas que tive ao longo destes meses e para a revisão desta tese.
Resumo
O estudo e investigação das células solares, por parte da comunidade científica, é vital para se conseguir atingir o potencial máximo dos sistemas fotovoltaicos. Ao longo do tempo têm sido realizados estudos sobre os princípios de funcionamento das células de modo a otimizar o seu desempenho, melhorando a eficiência e reduzindo os custos desta tecnologia. No decorrer deste trabalho serão realizados estudos dos parâmetros que influenciam o desempenho de uma célula solar e, para tal, recorrer-se-á a um programa que permite efetuar simulações a uma dimensão, o PC1D. Com o auxílio das curvas I-V e das eficiências quânticas obtidas com recurso a este programa analisou-se o impacto dos seguintes fatores: temperatura, resistências parasitas, dopagem, recombinação, tempo de vida, texturização, camada de passivação e back surface field (BSF). Serão, também, estudadas e analisadas diferentes estruturas de células solares, tais como, a célula com emissor seletivo (SE), a célula com contacto traseiro interdigitado (IBC) e a célula emitter wrap-through (EWT). A realização do estudo destas células será efetuada com recurso a outros dois simuladores numéricos, nomeadamente, o PC2D e o Quokka, que permitem efetuar simulações a duas e três dimensões. Para o estudo das células mencionadas recorrer-se-á às respetivas curvas I-V, eficiências quânticas, corrente induzida por feixe de luz e distribuição de potenciais de quasi-Fermi.
Palavras-chave: Célula solar, PC1D, PC2D, Quokka, portadores de carga.
Abstract
The study and research of solar cells by the scientific community is vital to achieve the maximum potential of photovoltaic systems. Over time, studies have been carried out on cell operating principles to optimize its performance, improving efficiency and lowering the costs of this technology. Throughout this work there will be carried out studies of the parameters that influence the performance of a solar cell and, for this, will be used a program that performs 1D simulations, PC1D. With the aid of the I-V curves and the quantum efficiencies obtained with PC1D, the impact of the following factors will be studied: temperature, parasite resistance, doping, recombination, lifetime, texturing, passivation layer and back surface field (BSF). Different types of solar cells will also be studied and analyzed, such as, selective emitter solar cell (SE), interdigitated back contact solar cell (IBC) and emitter wrap-through solar cell (EWT). The study of these cells will be carried out using other two numerical simulators, namely, PC2D and Quokka, that allow for 2 and 3D simulations. For the study of the mentioned cells will be used the respective I-V curves, quantum efficiencies, light beam induced current scans and quasi-Fermi potential distributions.
Índice
AGRADECIMENTOS... III RESUMO ... IV ABSTRACT ... IV ÍNDICE ... V LISTA DE TABELAS E FIGURAS ... VII LISTA DE SÍMBOLOS E ACRÓNIMOS ... X
1. INTRODUÇÃO ... 1
1.1. MOTIVAÇÃO ... 1
1.2. OBJETIVOS ... 1
2. FÍSICA DAS CÉLULAS SOLARES ... 2
2.1. SEMICONDUTORES... 2
2.2. DOPAGEM ... 3
2.3. JUNÇÃO P-N ... 4
2.4. TEMPO DE VIDA E COMPRIMENTO DE DIFUSÃO ... 6
2.5. RECOMBINAÇÃO ... 6 2.5.1. Recombinação de volume ... 7 2.5.1.1. Recombinação Radiativa ... 7 2.5.1.2. Recombinação de Auger ... 7 2.5.1.3. Recombinação de Shockley-Read-Hall ... 8 2.5.2. Recombinação de superfície ... 9
2.6. EFEITO COMBINATIVO DA RECOMBINAÇÃO DE VOLUME E SUPERFÍCIE ... 10
2.7. ABSORÇÃO DE RADIAÇÃO E GERAÇÃO DE CORRENTE ... 11
2.8. GERAÇÃO E DISTRIBUIÇÃO DE PORTADORES ... 13
2.9. COMPONENTES DAS CÉLULAS FOTOVOLTAICAS ... 13
3. TIPOS DE CÉLULAS ... 15
3.1. CÉLULA SOLAR COM EMISSOR SELETIVO (SE) ... 15
3.2. CÉLULA COM CONTACTO TRASEIRO INTERDIGITADO (IBC) ... 15
3.3. CÉLULA EMITTER WRAP-THROUGH (EWT) ... 16
4. CARACTERIZAÇÃO DAS CÉLULAS SOLARES ... 18
4.1. CURVA I-V ... 18
4.2. PARÂMETROS ELÉTRICOS ... 19
4.2.1. Corrente de curto circuito ... 19
4.2.2. Tensão em circuito aberto ... 19
4.2.3. Potência máxima... 20 4.2.4. Fator de forma ... 20 4.2.5. Eficiência de conversão ... 21 4.3. RESISTÊNCIAS PARASITAS ... 22 4.3.1. Resistência shunt... 22 4.3.2. Resistência série ... 22 4.3.3. Comparação entre a Rs e a Rsh ... 23 4.4. RESPOSTA ESPETRAL ... 23 4.5. EFICIÊNCIA QUÂNTICA ... 24
4.5.1. Eficiência quântica externa ... 25
5. METODOLOGIA ... 26
5.1. PC1D ... 26
5.2. PC2D ... 27
5.2.1. Célula solar convencional ... 28
5.2.2. Célula SE ... 29
5.2.3. Célula IBC ... 30
5.2.4. Célula EWT ... 31
5.3. QUOKKA ... 32
5.3.1. Célula solar convencional ... 32
5.3.2. Célula SE ... 33
5.3.3. Célula IBC ... 34
6. PC1D: FATORES QUE INFLUENCIAM OS PARÂMETROS DE UMA CÉLULA SOLAR ... 35
6.1. TEMPERATURA ... 35
6.2. RESISTÊNCIAS PARASITAS ... 37
6.3. CONCENTRAÇÃO DE DOPANTE NO EMISSOR E NA BASE ... 38
6.4. TEMPO DE VIDA DOS PORTADORES DE CARGA ... 41
6.5. COMPRIMENTO DE DIFUSÃO DOS PORTADORES DE CARGA ... 42
6.6. VELOCIDADE DE RECOMBINAÇÃO NA SUPERFÍCIE FRONTAL E TRASEIRA ... 43
6.7. BACK SURFACE FIELD (BSF) ... 45
7. PC2D: ANÁLISE DE DIFERENTES ESTRUTURAS DE CÉLULAS SOLARES ... 47
7.1. CÉLULA SOLAR CONVENCIONAL ... 47
7.2. CÉLULA SE ... 48
7.3. CÉLULA IBC ... 49
7.4. CÉLULA EWT ... 50
7.5. COMPARAÇÃO ENTRE OS DIFERENTES TIPOS DE CÉLULAS... 50
8. QUOKKA: ANÁLISE DE DIFERENTES ESTRUTURAS DE CÉLULAS SOLARES ... 56
9. CONCLUSÕES E DESENVOLVIMENTOS FUTUROS ... 60
REFERÊNCIAS BIBLIOGRÁFICAS ... 62
Lista de tabelas e figuras
Figura 2.1 - Representação esquemática 2D de uma estrutura cristalina de silício. Figura 2.2 – Estrutura das bandas de energia num semicondutor.
Figura 2.3 – Esquema de uma junção p-n em equilíbrio termodinâmico. Figura 2.4 – Mecanismo de recombinação radiativa num semicondutor. Figura 2.5 – Mecanismo de recombinação de Auger num semicondutor.
Figura 2.6 – Mecanismo de recombinação de Shockley-Read-Hall num semicondutor. Figura 2.7 – Mecanismo de recombinação de superfície num semicondutor.
Figura 2.8 – Tempo de vida da recombinação de Auger, radiativa e SRH, numa amostra de silício do tipo p. Fonte: Imagem adaptada de [12].
Figura 2.9 – Absorção na junção p-n de uma célula solar.
Figura 2.10 – Coeficiente de absorção em função do comprimento de onda, para o silício. Fonte: [20]. Figura 2.11 – Processo de geração de corrente numa célula solar.
Figura 2.12 – Estrutura de uma célula solar convencional.
Figura 3.1 – Estrutura de uma célula solar com emissor seletivo. Fonte: Imagem adaptada de [26]. Figura 3.2 – Representação esquemática de uma célula solar com contactos traseiros interdigitado. Fonte: [27].
Figura 3.3 – Representação esquemática de uma célula solar emitter wrap-through. Fonte: Imagem adaptada de [31].
Figura 4.1 – Curva I-V no escuro e sob iluminação e os respetivos circuitos equivalentes da célula. Figura 4.2 – Curva caraterística de uma célula fotovoltaica.
Figura 4.3 – Curva caraterística de uma célula fotovoltaica.
Figura 4.4 – Fatores que limitam a eficiência das células solares. Fonte: [4].
Figura 4.5 – Inclusão da resistência shunt e de série no circuito elétrico equivalente de uma célula solar.
Figura 4.6 – Influência das resistências parasitas sobre a curva caraterística da célula solar. À esquerda: influência da Rs (Rsh =∞). À direita: influência da Rsh (Rs=0). Fonte: [37].
Figura 4.7 – Representação gráfica da resposta espetral de uma célula ideal e de uma célula “real”. Fonte: [38].
Figura 4.8 – Eficiência quântica ideal e eficiência quântica de uma célula solar “real”. Figura 5.1 – Estrutura da célula solar convencional estudada no PC2D.
Figura 5.3 – Estrutura da célula IBC estudada no PC2D. Figura 5.4 – Estrutura da célula EWT estudada no PC2D.
Figura 5.5 – Estrutura da célula solar convencional simulada com o programa Quokka.
Figura 5.6 – Estrutura da célula solar com emissor seletivo simulada com o programa Quokka. Figura 5.7 – Estrutura da célula IBC estudada com o programa Quokka.
Figura 6.1 – Efeito da variação da temperatura sobre a curva I-V de uma célula solar. Figura 6.2 – Efeito da variação da resistência série sobre a curva I-V de uma célula solar. Figura 6.3 – Efeito da variação da resistência shunt sobre a curva I-V de uma célula solar. Figura 6.4 – Efeito da variação da concentração de dopante na base sobre a curva I-V. Figura 6.5 – Efeito da variação da concentração de dopante no emissor sobre a curva I-V.
Figura 6.6 – Efeito da variação da concentração de dopante no emissor sobre a eficiência da célula. Figura 6.7 – Efeito da variação da concentração de dopante no emissor sobre a EQE.
Figura 6.8 – Efeito da variação da concentração de dopante no emissor sobre a EQI.
Figura 6.9 – Efeito da variação do tempo de vida dos portadores de carga minoritários sobre a curva I-V.
Figura 6.10 – Efeito da variação do tempo de vida dos portadores de carga minoritários sobre a recombinação.
Figura 6.11 – Efeito do comprimento de difusão dos portadores de carga sobre a tensão em circuito aberto e a corrente de curto circuito.
Figura 6.12 – Efeito da variação do tempo de vida (e comprimento de difusão) dos portadores de carga minoritários sobre a EQE.
Figura 6.13 – Influência da velocidade de recombinação da superfície frontal sobre a curva I-V. Figura 6.14 – Influência da velocidade de recombinação da superfície frontal sobre a EQI.
Figura 6.15 – EQI de uma célula sem camada de passivação e de outra com camada de passivação. Figura 6.16 – Influência da velocidade de recombinação da superfície traseira sobre a curva I-V. Figura 6.17 – Influência da velocidade de recombinação da superfície traseira sobre a EQI. Figura 6.18 – Curva I-V de células com e sem BSF.
Figura 6.19 – EQI de células com e sem BSF.
Figura 7.1 – Potencial quasi-Fermi dos eletrões (à esquerda) e dos buracos (à direita) da célula solar convencional.
Figura 7.2 – Potencial quasi-Fermi dos eletrões na superfície da célula solar convencional.
Figura 7.3 – Potencial quasi-Fermi dos eletrões (à esquerda) e dos buracos (à direita) da célula SE. Figura 7.4 - Potencial quasi-Fermi dos eletrões na superfície da célula solar SE.
Figura 7.5 – Potencial quasi-Fermi dos eletrões (à esquerda) e dos buracos (à direita) da célula IBC. Figura 7.6 – Potencial quasi-Fermi dos eletrões (à esquerda) e dos buracos (à direita) da célula EWT. Figura 7.7 – Curva I-V das diferentes estruturas de células estudadas no PC2D.
Figura 7.8 – Eficiência quântica externa das diferentes estruturas de células estudadas no PC2D. Figura 7.9 – Corrente induzida por um feixe de luz (light beam induced current scan) das diferentes estruturas de células estudadas com PC2D.
Figura 7.10 - Curva I-V das diferentes estruturas de células estudadas com o mesmo tempo de vida dos portadores de carga (1ms).
Figura 7.11 - Eficiência quântica externa das diferentes estruturas de células estudadas com o mesmo tempo de vida dos portadores de carga (1ms).
Figura 8.1 – Eficiência quântica externa das células solares convencional e SE, obtida com recurso ao programa Quokka.
Figura 8.2 – Geração, perdas por recombinação e perdas resistivas de cada uma das estruturas de células solares estudadas com recurso ao programa Quokka.
Figura 8.3 – Representação gráfica da densidade de corrente dos eletrões e dos buracos e da concentração de portadores de carga em excesso da célula solar convencional, obtidas com recurso ao programa Quokka.
Figura 8.4 - Representação gráfica da densidade de corrente dos eletrões e dos buracos e da concentração de portadores de carga em excesso da célula solar com emissor seletivo, obtidas com recurso ao programa Quokka.
Figura 8.5 - Representação gráfica da densidade de corrente dos eletrões e dos buracos e da concentração de portadores de carga em excesso da célula solar com contacto traseiro interdigitado, obtidas com recurso ao programa Quokka.
Figura A. 1 – Configuração da célula solar convencional no PC2D. Figura A. 2 – Configuração da célula SE no PC2D.
Figura A. 3 – Configuração da célula IBC no PC2D. Figura A. 4 – Configuração da célula EWT no PC2D.
Tabela 5.1 – Principais parâmetros input da junção p-n da célula de silício monocristalino simulada no PC1D (simulação de controlo).
Tabela 7.1 – Comparação do desempenho das diferentes estruturas de células solares estudadas com o PC2D.
Tabela 7.2 - Comparação do desempenho das diferentes estruturas de células solares, com o mesmo tempo de vida dos portadores de carga.
Lista de símbolos e acrónimos
PC1D Personal Computer One Dimensional
PC2D Personal Computer Two Dimensional
BSF Back Surface Field
SE Selective Emitter
IBC Interdigitated Back Contact
EWT Emitter Wrap-Through
1D Uma dimensão
2D Duas dimensões
3D Três dimensões
Si Silício
CdTe Telureto de cádmio
CIS Disseleneto de cobre
GaAs Arsenieto de gálio
Ev Energia da banda de valência
Ec Energia da banda de condução
s Condutividade elétrica
he Potencial eletroquímico dos eletrões
hh Potencial eletroquímico dos buracos
e Carga do eletrão
𝜏n Tempo de vida do eletrão
𝜏p Tempo de vida do buraco
L Comprimento de difusão
D Coeficiente de difusão
𝜏 Tempo de vida dos portadores
Urad Taxa de recombinação radiativa
B Coeficiente da recombinação radiativa
Dn Concentração de portadores de carga em excesso
NA Concentração de dopante no volume
UAuger Taxa de recombinação de Auger
cp Coeficiente de recombinação de Auger
SRH Shockley-Read-Hall
USRH Taxa de recombinação de Shockley-Read-Hall
Vth Velocidade térmica
Nt Número de níveis de defeitos
sn Secção transversal de captura para eletrões
sp Secção transversal de captura para buracos
SRV Velocidade de recombinação de superfície
st Velocidade de recombinação de superfície
𝜏vol Tempo de vida do volume
𝜏rad Tempo de vida da recombinação radiativa
𝜏Auger Tempo de vida da recombinação Auger
𝜏SRH Tempo de vida da recombinação
Shockley-Read-Hall
𝜏sup Tempo de vida da recombinação de superfície
I Intensidade de radiação
a Coeficiente de absorção
x Distância
I0 Intensidade da radiação à superfície
Eg Energia de hiato
El Energia do fotão
l Comprimento de onda
G Geração de pares eletrão-buraco
N0 Fluxo de fotões na superfície
SiO2 Dióxido de silício
Ag Prata
Al Alumínio
DC Corrente Contínua
IQE Eficiência Quântica Interna
Jsc Densidade de corrente de curto circuito
Voc Tensão em circuito aberto
Isc Corrente de curto circuito
Im Corrente no ponto de potência máxima
Vm Tensão no ponto de potência máxima
Pm Potência máxima
Ig Corrente gerada
V Tensão aos terminais
T Temperatura q Carga elementar k Constante n Fator de idealidade I0 Corrente de saturação FF Fator de forma/preenchimento
Pideal Potência ideal
h Eficiência de conversão
Pinc Potência incidente
I Corrente output
IL Corrente gerada pela radiação
V Tensão aos terminais
Rsh Resistência shunt
Rs Resistência série
Iis Corrente inversa de saturação
Icc Corrente associada à iluminação
uT Tensão térmica
RE Resposta espetral
QE Eficiência Quântica
EQE Eficiência Quântica Externa
h Constante de Plank
J01/J02 Densidade de corrente de recombinação
Gsh Condutância shunt
a Constante
b Constante
a Coeficiente da variação Isc
𝛽 Coeficiente da variação do Voc
A Área
D Difusividade dos portadores de carga
ND Concentração de dopante
ni Concentração intrínseca de portadores
g Coeficiente da variação da Pmáx
EF Energia de Fermi
1. Introdução
1.1. Motivação
Desde o início da era industrial que a exploração do ambiente natural por parte do homem tem sido cada vez mais agressiva. Os recursos naturais estão a esgotar-se e produzem-se desperdícios a um nível superior àquele que o solo, o ar, os rios e os oceanos conseguem suportar.
Os recursos naturais mais explorados são, sem dúvida, os combustíveis de origem fóssil. No entanto, estes recursos são limitados e a produção de energia a partir dos mesmos produz emissões nefastas, tanto para o ambiente como para nós humanos. A transição de fontes de energia fóssil para fontes de energia limpa e renováveis é atualmente um dos maiores desafios da humanidade.
Em qualquer instante, o sol emite 3,86 × 1026 𝑊 de energia, dos quais 1,74 × 1017𝑊 chegam à Terra [1], sendo que em apenas uma hora o nosso planeta recebe energia suficiente para satisfazer as necessidades energéticas globais durante um ano. A energia solar é um recurso abundante, limpo e inesgotável à nossa escala de tempo, e o seu aproveitamento é nos dias que correm uma das alternativas energéticas mais promissoras. As células fotovoltaicas convertem diretamente a radiação solar em eletricidade. Durante o seu funcionamento os dispositivos fotovoltaicos não produzem qualquer tipo de poluição, tanto ao nível de emissões como de ruído, o que os tornam numa tecnologia bastante promissora, uma vez que, contribui para um panorama energético sustentável e amigo do ambiente. O mercado fotovoltaico é dominado pelas células de silício, desde o seu início, por volta dos anos 50 do século passado [2]. Apesar de nas últimas décadas a produção de células solares ter aumentado rapidamente, apresentando uma taxa de crescimento médio anual de 35% [3], a disseminação bem sucedida desta tecnologia foi alcançada através da redução dos custos de fabricação dos sistemas fotovoltaicos e do melhoramento da eficiência e desempenho dos mesmos. Nas últimas décadas tem-se assistido a um desenvolvimento notável da tecnologia fotovoltaica, muito em parte devido ao aumento do investimento em investigação e desenvolvimento e ao crescente número de publicações científicas.
Dada a necessidade de se encontrar dispositivos fotovoltaicos com melhor desempenho e com menores custos de produção, esta tese poderá ser interessante, no sentido em que serão identificados e estudados os principais fatores que condicionam o desempenho destes sistemas com recurso a programas especializados.
1.2. Objetivos
As caraterísticas, componentes e dimensões de uma junção p-n são parâmetros responsáveis pela eficiência e desempenho de uma célula solar. Esta dissertação tem como objetivo estudar a influência das caraterísticas do material das células solares sobre os seus parâmetros fundamentais, tais como, o rendimento, a corrente de curto circuito, a tensão de circuito aberto e o fator de preenchimento. Pretende-se, também, estudar a influência que a recombinação, tanto de superfície como de volume, a camada de passivação e a back surface field têm sobre o desempenho das células solares. Será, ainda, efetuada uma análise comparativa de diferentes tipos de células solares. Para a realização deste estudo serão utilizados programas especializados na simulação de células solares a 1D, 2D e 3D.
2. Física das células solares
O efeito fotovoltaico foi primeiramente descoberto pelo físico francês Alexandre-Edmond Becquerel, em 1839, e implica o aparecimento de uma diferença de potencial aos terminais de uma célula eletroquímica causada pela absorção de radiação [4]. Este efeito ocorre em qualquer díodo semicondutor que seja exposto à radiação, como é o caso das células solares.
Uma célula solar consiste num dispositivo que efetua a conversão direta da energia proveniente do sol em energia elétrica. Este processo de conversão pode ser dividido em quatro etapas [5]:
- A radiação incidente na superfície da célula causa a geração de portadores de carga;
- A separação, a recolha e o transporte dos portadores de carga de maneira a gerar energia elétrica;
- Surgimento de uma diferença de potencial na célula;
- Dissipação da potência numa carga externa e nas resistências parasitas.
2.1. Semicondutores
As células solares são constituídas por materiais semicondutores. Estes materiais são sólidos cristalinos que no seu estado puro e quando sujeitos a baixas temperaturas, muito próximas do zero absoluto, atuam como isolantes. A elevadas temperaturas atuam como condutores, isto é, possuem condutividade elétrica devido à rutura da sua estrutura cristalina ideal.
Existem materiais semicondutores pertencentes a diferentes grupos da tabela periódica. Maioritariamente pertencem aos grupos de XIV a XVI, sendo que as suas propriedades variam de grupo para grupo, uma vez, que estão relacionadas com as caraterísticas atómicas do elemento. O semicondutor mais utilizado na constituição das células solares é o silício (Si), mas podem ser também utilizados o telureto de cádmio (CdTe), o disseleneto de cobre (CIS) e o arsenieto de gálio (GaAs), entre outros [4][6].
O silício é um elemento químico que possui 14 eletrões e 14 protões, pertence ao grupo XIV da tabela periódica e, tal como, os restantes elementos deste grupo, tem 4 eletrões de valência (átomo tetravalente). Ao ser construído um cristal de silício é formada uma estrutura em que cada átomo de silício partilha os seus eletrões de valência com 4 átomos de silício da sua vizinhança, formando ligações covalentes. Cada átomo passa, assim, a estar rodeado por 8 eletrões, formando-se uma estrutura uniforme.
Na Figura 2.1 encontra-se uma representação esquemática a 2D das ligações covalentes numa rede cristalina de silício.
Para temperaturas próximas do zero absoluto (0K), os semicondutores caraterizam-se por possuírem uma banda de valência totalmente preenchida por eletrões e uma banda de condução vazia (sem eletrões), comportando-se, por isso, como isolantes [4].
Quando a temperatura aumenta, ocorre condução no semicondutor, uma vez que, os eletrões podem ganhar energia suficiente para escapar das suas ligações covalentes, movendo-se livremente na rede cristalina. Nos semicondutores, como é o caso das células solares, a incidência de radiação sobre a sua superfície e a absorção de fotões com uma certa energia mínima proporciona a excitação dos eletrões da banda de valência para a banda de condução, deixando na banda de valência buracos, isto é, portadores de carga positiva.
A Figura 2.2 apresenta a estrutura de separação das bandas de energia de um semicondutor.
Um eletrão que esteja numa ligação covalente encontra-se numa certa banda de energia, mas se ganhar energia suficiente para quebrar essa ligação, passa para uma banda de energia mais elevada. Portanto, um eletrão pode estar num estado de baixa energia (banda de valência, Ev) ou elevada energia (banda de condução, Ec), não podendo nunca se encontrar numa banda de energia intermédia (banda proibida). Para que um eletrão passe para uma banda de maior energia é necessário fornecer uma certa energia mínima ao eletrão. Esta energia é denominada de energia de hiato do semicondutor. Se a energia fornecida for igual ou superior à energia de hiato, o eletrão é excitado para a banda de condução, ficando livre para se movimentar no semicondutor e poder participar na condução.
Os parâmetros mais importantes num material semicondutor constituinte de uma célula solar são: a energia de hiato, o número de portadores livres (eletrões e buracos) disponíveis para a condução, e a taxa de geração e recombinação dos portadores livres em resposta à radiação incidente no material [7].
2.2. Dopagem
A condutividade adquirida pelo semicondutor devido à temperatura é muito reduzida, uma vez que os materiais semicondutores no seu estado puro são materiais intrínsecos (material sem dopagem/impurezas denominado do tipo i) e, portanto, têm poucos portadores de carga livres. No entanto, a condutividade pode ser aumentada através do processo de dopagem. A dopagem é uma técnica que permite alterar as propriedades elétricas de um material semicondutor por intermédio da introdução controlada de átomos de outros elementos, denominados de impurezas ou dopantes, e é realizada durante o fabrico do semicondutor [6].
A concentração de dopante introduzida é várias ordens de grandeza superior à dos portadores intrínsecos, à temperatura ambiente, de forma a criar regiões de predominância de cargas livres
região do tipo n carateriza-se pelo excesso de eletrões. Ao tipo de portadores com maior concentração dá-se o nome de portadores maioritários e aos de menor concentração dá-se o nome de portadores minoritários. Sendo que, a zona de interface entre as regiões p e n, desprovida de portadores móveis, região de depleção, será tanto menor quanto maior for o nível de dopagem das regiões p e n [6]. Se a uma amostra de silício forem acrescentados átomos pentavalentes como, por exemplo, átomos de fósforo, haverá um eletrão em excesso na estrutura cristalina, por cada átomo de fósforo adicionado. Esse eletrão encontra-se fracamente ligado ao seu átomo de origem, ocupando um nível de energia no interior da banda apenas 0,044 eV abaixo da banda de condução [4]. A energia desta ligação é bastante reduzida e, portanto, a energia térmica disponível à temperatura ambiente é suficiente para quebrar a ligação e libertar o eletrão, que passa, assim, para a banda de condução. O átomo que perdeu este eletrão passa a ter uma carga positiva. Para além do fósforo podem, também, ser utilizados o arsénio e o antimónio como impurezas dadoras de eletrões [4]. A região da amostra de silício à qual foram adicionados os átomos de fósforo passa a ser a região n.
Se à amostra de silício forem adicionados átomos trivalentes como, por exemplo, o boro, haverá um eletrão a menos na estrutura cristalina, por cada átomo de boro adicionado. A falta de um eletrão denomina-se por buraco e este portador de carga ocupa um nível de energia na banda proibida 0,045 eV acima da banda de valência [4]. A energia térmica disponível à temperatura ambiente é suficiente para fazer um eletrão de um átomo vizinho passar para esta posição desocupada. O átomo passa, assim, a ter uma carga negativa. Para além do boro podem, também, ser utilizados o alumínio, o gálio e o índio como impurezas recetoras de eletrões [4]. A região da amostra de silício à qual foram adicionados os átomos de boro passa a ser a região p.
Se a amostra de silício se encontrar, simultaneamente, dopada com átomos pentavalentes de um lado e átomos trivalentes do outro, então, obtém-se uma junção p-n. À temperatura ambiente, a energia térmica é suficiente para que a quase totalidade dos eletrões em excesso dos átomos de fósforo adicionados, bem como dos buracos criadas pelos átomos de boro se possam movimentar, permitindo assim a migração de eletrões do lado n para o lado p e a migração de buracos do lado p para o lado n.
2.3. Junção p-n
A junção p-n constitui a unidade básica de muitos dispositivos elétricos, nomeadamente da maioria das células solares e é formada mediante a junção de dois semicondutores diferentes, um do tipo p e outro do tipo n, unidos um ao outro [8].
Uma célula solar de silício simples (tipo p) consiste, essencialmente, numa junção p-n resultante de um processo de difusão de fósforo num substrato de silício previamente dopado com boro, que origina duas regiões distintas, uma do tipo n e outra do tipo p. Devido à diferença de concentração de portadores maioritários entre os dois lados, irá estabelecer-se uma densidade de corrente, por difusão, de modo a restaurar o equilíbrio na junção [9]. A este processo de difusão de portadores de carga na junção p-n dá-se o nome de corrente de difusão, que irá manter-se até a concentração de eletrões e buracos ser igual de ambos os lados. Devido à passagem de eletrões e buracos, de um lado para o outro, o lado n fica carregado positivamente e o lado p fica carregado negativamente, o que origina um campo elétrico, no sentido de n para p, que impede a continuação do fluxo indefinidamente e constitui uma barreira de potencial. O campo elétrico criado opõe-se à difusão de portadores maioritários, favorecendo o movimento dos portadores minoritários, o que origina a corrente de deslocamento [9][10].
De modo a se gerar corrente elétrica numa célula solar, os eletrões e os buracos têm que se mover na direção dos respetivos contactos. Este movimento é causado pelos gradientes de concentração dos eletrões e dos buracos.
Num semicondutor intrínseco o nível de Fermi pode ser definido como o nível que tem 50% de probabilidade de ser ocupado por um eletrão. Isto significa que a probabilidade de se encontrar um eletrão na banda de condução é igual à probabilidade de se encontrar um buraco na banda de valência, ou seja, o número de eletrões na banda de condução é igual ao número de buracos na banda de valência, sendo que o nível de Fermi se encontra a meio da banda de energia proibida. No caso de semicondutores extrínsecos, como as células solares, se o número de eletrões for superior ao número de buracos (semicondutor do tipo n) o nível de Fermi sobe e a probabilidade de encontrar um eletrão na banda de condução é superior à probabilidade de encontrar um buraco na banda de valência. Se por outro lado, o número de buracos for superior ao número de eletrões (semicondutor do tipo p) o nível de Fermi desce e a probabilidade de se encontrar um buraco na banda de valência é superior à probabilidade de se encontrar um eletrão na banda de condução.
Quando um semicondutor extrínseco se encontra num estado de não equilíbrio (sob iluminação), em vez de se utilizar apenas um nível de Fermi para descrever a concentração de eletrões e buracos, passam a utilizar-se dois níveis quasi-Fermi.
O potencial quasi-Fermi é um termo matemático utilizado para descrever a densidade de eletrões e buracos em casos de não equilíbrio (aplicação de tensão ou iluminação). Se o potencial quasi-Fermi mudar, a diferença de potencial aos terminais também muda.
Os gradientes de concentração dos eletrões e dos buracos são dados pelas seguintes equações, respetivamente [11]:
2.1
2.2
Onde 𝜎 é a condutividade elétrica, 𝜂 é o potencial eletroquímico das partículas e 𝑒 é a carga do eletrão. Visto que os eletrões têm de ser direcionados para um contacto e os buracos para outro, este transporte seletivo de portadores de carga não pode estar apenas dependente das forças motrizes. Pela análise das equações 2.1 e 2.2 verifica-se que o transporte seletivo está, também, dependente das suas
𝑗𝑒= 𝜎𝑒 𝑒 𝛻𝜂𝑒 𝑗ℎ= 𝜎ℎ 𝑒 𝛻𝜂ℎ
se dirijam, mas não os buracos, a condutividade do eletrão deve ser maior e a condutividade dos buracos deve ser pequena. Este contacto corresponde ao terminal negativo da célula solar. Pela mesma lógica, nas vizinhanças do contacto dos buracos a condutividade destes portadores deve ser grande e a condutividade dos eletrões pequena. Este contacto corresponde ao terminal positivo da célula solar. Estas diferenças de condutividade são geradas pelo tipo de dopagem. Junto do contacto dos eletrões a dopagem é do tipo n, o que cria uma elevada concentração de eletrões e uma baixa concentração de buracos. Junto do contacto dos buracos a dopagem é do tipo p, criando uma maior concentração de buracos nesta região [11].
2.4. Tempo de vida e comprimento de difusão
O tempo de vida e o comprimento de difusão dos portadores de carga minoritários são indicadores da qualidade de um semicondutor e, portanto, são parâmetros cruciais na sua caraterização.
O número de portadores minoritários pode atingir um valor superior ao de equilíbrio por meios de um fator de excitação externo, como a radiação solar incidente, posteriormente, este excesso de portadores decai até à concentração de equilíbrio através do processo de recombinação. A taxa de recombinação é um parâmetro importante das células solares e que depende do número de portadores minoritários em excesso.
O tempo de vida, tal como o nome indica, corresponde ao tempo médio que decorre desde que um portador é excitado para uma banda de energia mais elevada até ao momento em que regressa ao seu estado de equilíbrio, após sofrer recombinação, ou seja, corresponde ao tempo médio que o portador de carga tem para chegar aos contactos antes de se recombinar e durante o qual está a contribuir para a condutividade. Tal como o tempo de vida dos portadores, o comprimento de difusão está associado à taxa de recombinação e é um fator chave na eficiência da geração de energia numa célula fotovoltaica. O comprimento de difusão consiste na distância média percorrida por um portador de carga durante o seu tempo de vida, ou seja, a distância percorrida desde o momento da sua geração até à sua recombinação, sendo tanto maior quanto melhor for a qualidade do material.
O tempo de vida de um portador minoritário é denominado por 𝜏n ou 𝜏p e é determinado a partir do comprimento de difusão (L [µm]) e do coeficiente de difusão (D [m2/s]), uma caraterística do material semicondutor que expressa a distância média que os portadores conseguem percorrer por unidade de tempo antes de sofrerem recombinação [9]:
2.3
Quanto maior for o tempo de vida dos portadores minoritários gerados pela radiação, melhor será a eficiência da célula solar.
2.5. Recombinação
O fenómeno de recombinação dos portadores de carga é um fator limitante da eficiência de uma célula fotovoltaica, pelo que é importante que seja controlado, de modo a que as perdas por recombinação sejam mínimas.
Quando ocorre absorção de radiação por parte de uma célula solar verifica-se um distúrbio do equilíbrio térmico, pois a energia dos fotões absorvidos permite excitar os eletrões para uma banda de maior energia. Um eletrão que sofra excitação e, consequentemente, passe para a banda de condução, passa a estar num estado metastável, pelo que a tendência é que a certa altura regresse ao estado de menor energia na banda de valência, que lhe confere maior estabilidade. Com o regresso do eletrão à banda de valência, ocorre o desaparecimento de um buraco. A este processo dá-se o nome de recombinação. O parâmetro mais importante para caracterizar a recombinação numa célula solar é o tempo de vida dos portadores minoritários (𝜏[𝜇𝑠]) [12]. Para que ocorra geração de corrente é,
𝜏 =
𝐿
2𝐷
portanto, necessário que o eletrão permaneça na banda de condução tempo suficiente para que se difunda para o circuito externo, contribuindo para a geração de corrente [13].
Os fenómenos de recombinação numa célula solar podem ocorrer tanto na superfície como no volume do dispositivo.
2.5.1. Recombinação de volume
Existem três mecanismos diferentes de recombinação de volume: recombinação radiativa (ou recombinação banda a banda (band-to-band)), recombinação de Auger e recombinação de Shockley-Read-Hall (ou recombinação através de defeitos do material), sendo as duas últimas predominantes nas células de silício [14].
2.5.1.1. Recombinação Radiativa
A recombinação radiativa consiste no processo inverso à absorção de um fotão, isto é, um eletrão na banda de condução cai para a banda de valência e emite um fotão. Este fotão emitido, com energia a energia de hiato, pode ser novamente absorvido por outro portador ou pode escapar da estrutura. No entanto, estes fotões de energia relativamente baixa são fracamente absorvidos e, portanto, são apenas "reciclados" de forma significativa se houver uma excelente eficiência de captura de radiação [12]. Estre processo de recombinação é dominante em semicondutores como o GaAs, sendo a base de operação para os díodos emissores de luz, como é o caso dos LEDs. Este mecanismo de recombinação é pouco provável acontecer em células de silício, uma vez que, requer a emissão (ou absorção) simultânea de um fotão e de um fonão, de modo a que tanto o momento como a energia sejam conservados.
A Figura 2.4 representa o fenómeno de recombinação radiativa.
A taxa da recombinação radiativa (Urad) depende da concentração de eletrões e de buracos, visto ser necessário um portador de cada tipo para que ocorra este mecanismo de recombinação. Deste modo, a taxa de recombinação radiativa num substrato do tipo p pode ser calculada a partir da seguinte expressão [12]:
2.4
Onde B é o coeficiente de recombinação radiativa (10-14 cm3.s-1), Dn é a densidade de portadores de carga em excesso e NA é a concentração de dopante no volume.
2.5.1.2. Recombinação de Auger
A recombinação de Auger ocorre quando a energia libertada durante a recombinação de um par
𝑈
𝑟𝑎𝑑= 𝐵 × ∆𝑛(𝑁
𝐴+ ∆𝑛)
recombina-se com um buraco e a energia libertada durante este processo, em vez de se perder sob a forma de calor ou como fotão, é transferida para outro eletrão na banda de condução [14]. Este eletrão que foi excitado acaba por perder a sua energia numa série de colisões com a estrutura cristalina, regressando ao seu estado inicial de energia [8]. Este mecanismo de recombinação pode, também, acontecer com um buraco, ou seja, um par eletrão-buraco sofre recombinação e a energia libertada é transmitida a um buraco na banda de valência que cai para um nível de menor energia na banda de valência. Posteriormente, irá perder esta energia e regressar ao seu estado estável.
Quanto maior for a concentração de portadores de carga, devido a uma elevada dopagem (acima dos 1018cm [8]), maior será o impacto do efeito recombinativo, dado que este mecanismo de recombinação envolve dois portadores que estejam próximo um do outro.
A probabilidade de este fenómeno de recombinação ocorrer é dada por 𝑛2× 𝑝 ou 𝑛 × 𝑝2 [15]. Na Figura 2.5 encontra-se representado o mecanismo de recombinação de Auger num semicondutor.
A taxa de recombinação de Auger (UAuger), para uma célula de silício do tipo p com um regime de funcionamento de baixa injeção, pode ser determinada a partir da seguinte equação [12]:
2.5
Onde Cp é o coeficiente de recombinação de Auger para silício do tipo p (9,9 × 10−32cm-6.s-1). No caso de condições de elevada injeção, os dois tipos de portadores estão disponíveis para atuar como o terceiro portador envolvido neste fenómeno de recombinação e, portanto, a expressão toma a seguinte forma [12]:
2.6
Onde Ca é o coeficiente de Auger ambipolar.
2.5.1.3. Recombinação de Shockley-Read-Hall
A recombinação de Shockley-Read-Hall (SRH), também conhecida como recombinação através de defeitos, não ocorre em semicondutores puros, mas ocorre em materiais semicondutores com defeitos na rede cristalina e/ou impurezas (introduzidas acidentalmente ou introduzidas propositadamente durante o processo de dopagem). Os defeitos na rede e as impurezas originam níveis de energia no meio do hiato que funcionam como centros de recombinação de eletrões e buracos, o que influência o tempo de vida dos portadores de carga [16].
O processo de recombinação de Shockley-Read-Hall pode dividir-se em dois passos [13][14]:
1º - Um eletrão (ou buraco) é aprisionado por um nível energético na banda proibida (band gap), que é introduzido por meio de defeitos na estrutura cristalina;
𝑈
𝐴𝑢𝑔𝑒𝑟= 𝐶
𝑝× ∆𝑛𝑁
𝐴2Figura 2.5 – Mecanismo de recombinação de Auger num semicondutor.
2º - Se um buraco (ou eletrão) se movimentar até à mesma banda de energia antes de o eletrão (ou buraco) ser termicamente reemitido para a banda de condução, ocorre recombinação. A taxa à qual um portador de carga se move para um nível de energia criado na banda proibida depende da distância deste nível às bandas de valência e condução. Se for gerado um nível de energia perto de uma das extremidades da banda proibida, a probabilidade do fenómeno de recombinação ocorrer é menor do que se o nível de energia introduzido se encontrar próximo do meio da banda proibida. Um eletrão que “caia” da banda de condução para um nível de energia introduzido na banda proibida, perto da banda de condução, muito provavelmente será reemitido para a banda de condução, em vez de se recombinar com um buraco “emitida” a partir da banda de valência.
Na Figura 2.6 encontra-se uma representação do mecanismo de recombinação SRH.
A taxa de recombinação SRH (USRH) pode ser determinada a partir da seguinte expressão [8]:
2.7
Assim sendo, a taxa de recombinação depende da velocidade térmica (Vth), da concentração de eletrões e buracos no estado de equilíbrio (n e p), do número de níveis de energia criado pelos defeitos/impurezas (Nt), da secção eficaz de captura para os eletrões e buracos (sn e sp, respetivamente) e da densidade de eletrões e buracos quando o nível de Fermi coincide com a energia do centro de recombinação (n1 e p1) [12].
2.5.2. Recombinação de superfície
Qualquer defeito ou impureza na superfície de um semicondutor promove automaticamente o fenómeno de recombinação [13]. Existem impurezas que são propositadamente introduzidas no material durante o processo de dopagem, que embora contribuam para o aumento dos fenómenos de recombinação, não são as que mais prejudicam o desempenho da célula. As impurezas que mais contribuem para os fenómenos de recombinação são as impurezas que são adicionadas acidentalmente, como é o caso de certos metais (ferro, cobre, níquel, crómio, entre outros). Estes tipos de impurezas podem já estar presentes na matéria prima ou serem introduzidas durante o crescimento dos cristais e/ou processamento da célula solar. Além das impurezas existe um outro fator que favorece os fenómenos de recombinação, o corte da estrutura cristalina, isto é, a superfície de uma célula solar consiste numa interrupção da estrutura cristalina do semicondutor, pelo que existem irregularidades na estrutura e ligações pendentes que atuam como centros de recombinação.
A recombinação de superfície é um caso especial de recombinação SRH, em que estados de energia
𝑈
𝑆𝑅𝐻=
𝑉𝑡ℎ×𝑁𝑡(𝑛𝑝−𝑛𝑖2) 1 𝜎𝑝(𝑛+𝑛1)+ 1 𝜎𝑛(𝑝+𝑝1)não ocupam um único nível de energia, mas formam um conjunto de estados distribuídos ao longo da banda proibida [12].
A análise da recombinação de superfície é realizada em termos de velocidades de recombinação de superfície (SRV) em vez de tempo de vida. A velocidade de recombinação (st) é dada em cm/s e para a
maioria dos semicondutores o valor máximo que pode adquirir é 107 cm/s [14]. De acordo com Yun
Da et al. a velocidade de recombinação de superfície de uma célula solar típica pode ser reduzida até 100 cm/s através da aplicação de uma camada de passivação [17].
A recombinação na superfície de uma célula solar afeta, maioritariamente, a corrente de curto circuito e a tensão de circuito aberto. É na superfície frontal onde ocorre uma maior geração de portadores, pelo que uma elevada taxa de recombinação na superfície é prejudicial para a corrente de curto circuito. A recombinação na superfície pode ser controlada com uma camada de passivação [9].
2.6. Efeito combinativo da recombinação de volume e superfície
Pela análise da Figura 2.8 verifica-se, para uma célula de silício cristalino, que para baixas densidades de portadores é a recombinação SRH que determina o tempo de vida dos portadores. Situação que poderá ser revertida usando um substrato de grande qualidade e uma boa camada de passivação. Por outro lado, para elevadas densidades de portadores de carga, a recombinação de Auger é dominante e determina, por isso, o tempo de vida. Portanto, numa célula solar de silício a recombinação radiativa pode ser desprezada na análise do tempo de vida dos portadores.
Figura 2.7 – Mecanismo de recombinação de superfície num semicondutor.
Concentração de portadores em excesso ∆𝑛 (𝑐𝑚−3)
T emp o d e v id a d e re co mb in aç ão ( 𝜇𝑠 ) Si Tipo p
Figura 2.8 – Tempo de vida da recombinação de Auger, radiativa e SRH, numa amostra de silício do tipo p. Fonte: Imagem adaptada de [12].
A taxa de recombinação total no volume da célula é dada pela soma das taxas individuais, que por sua vez podem ser obtidas a partir dos respetivos tempos de vida [18]:
2.8
Se se acrescentar a contabilização da recombinação de superfície obtém-se o tempo de vida efetivo da célula [13]:
2.9
2.7. Absorção de radiação e geração de corrente
Os fotões que constituem a radiação incidente num semicondutor podem ser absorvidos, refletidos ou transmitidos através do material. Sendo que no que diz respeito às células fotovoltaicas o processo mais importante é o da absorção, uma vez que apenas os fotões absorvidos contribuem para a geração de energia. Por sua vez, os fenómenos de reflexão e transmissão são considerados mecanismos de perda, visto que os fotões refletidos e transmitidos não contribuem para a geração elétrica.
A intensidade da radiação absorvida em cada ponto do dispositivo é dada pela seguinte equação [19]:
2.10
Onde a [cm-1
] é o coeficiente de absorção, x a distância no material em que a intensidade da radiação está a ser calculada e I0 é a intensidade da radiação na superfície do dispositivo.
Se a energia dos fotões for inferior à energia de hiato (Ey<Eg), estes interatuam muito pouco com o semicondutor, passando através dele. Se a energia dos fotões for superior à energia de hiato (Ey>Eg), os fotões são absorvidos, mas ocorre desperdício de energia, estes fotões contribuem para o aquecimento da célula. Se a energia dos fotões for igual à energia de hiato (Ey=Eg), os fotões são absorvidos e cria-se um par eletrão-buraco [9].
Os fotões que são absorvidos, ou seja, os fotões com energia igual ou superior à energia de hiato, podem ser absorvidos imediatamente na superfície do material ou podem ir penetrando na sua estrutura até serem absorvidos (Figura 2.9) [9]. A distância que um fotão com um determinado comprimento de onda consegue percorrer num material semicondutor antes de ser absorvido (profundidade de absorção) depende do coeficiente de absorção (Figura 2.10). Por sua vez, o coeficiente de absorção depende do material e do comprimento de onda (𝜆) dos fotões incidentes. Fotões com pequenos comprimentos de onda, isto é, com energias muito elevadas, são absorvidos a uma reduzida profundidade (elevado coeficiente de absorção), sendo rapidamente absorvidos. Por outro lado, os fotões com grandes comprimentos de onda, isto é, com baixas energias, penetram mais facilmente na rede cristalina, uma vez que não são absorvidos tão facilmente [13]. A profundidade de absorção da radiação incidente num semicondutor tem efeito sobre o funcionamento da célula, influenciando a escolha de parâmetros como a espessura do semicondutor a utilizar na construção da célula solar.
𝐼 = 𝐼
0𝑒
−𝛼𝑥1 𝜏𝑒𝑓𝑓
=
1 𝜏𝑣𝑜𝑙+
1 𝜏𝑠𝑢𝑝1 𝜏𝑣𝑜𝑙 = 1 𝜏𝑟𝑎𝑑 + 1 𝜏𝑎𝑢𝑔𝑒𝑟 + 1 𝜏𝑆𝑅𝐻
Para que seja gerada corrente numa célula não basta que os fotões absorvidos originem pares eletrão-buraco, é também necessário que os portadores gerados cheguem aos respetivos contactos. A junção p-n separa espacialmep-nte os eletrões e os buracos devido à ação do campo elétrico que existe p-na jup-nção e encaminha-os na direção dos contactos. Se a célula estiver em curto-circuito, os eletrões fluem para o circuito externo, contribuindo para o fluxo de corrente [21].
Figura 2.9 – Absorção na junção p-n de uma célula solar.
Figura 2.10 – Coeficiente de absorção em função do comprimento de onda, para o silício. Fonte: [20].
2.8. Geração e distribuição de portadores
Um semicondutor no seu estado puro possui uma certa concentração intrínseca de portadores, sendo o número de buracos na banda de valência igual ao número de eletrões na banda de condução. Esta concentração depende da energia de hiato, quanto maior for a energia de hiato, mais difícil será para um eletrão ser excitado para a banda de condução e, consequentemente, menor será a concentração intrínseca de portadores. A temperatura é outro fator que também influência a concentração intrínseca, sendo que quanto mais elevada for a temperatura, maior será a probabilidade de um eletrão ser excitado para a banda de condução e, como resultado maior será a concentração intrínseca.
Quando um semicondutor é sujeito a radiação solar dá-se a geração de pares eletrão-buraco devido à absorção de fotões. A taxa de geração permite determinar o número de portadores gerados em cada ponto do dispositivo, sendo maior junto à superfície onde a maior parte da radiação é absorvida, do que no interior do semicondutor.
A partir da equação 2.10 e assumindo que a radiação absorvida causa diretamente a geração de uma par eletrão-buraco, a geração em qualquer ponto da amostra é dada por [19]:
2.11
Onde N0 é o fluxo de fotões na superfície. Pela análise da equação 2.11 é possível determinar que a intensidade da radiação diminui exponencialmente ao longo do material e que a geração é mais elevada à superfície.
Há ainda, que ter em conta a “probabilidade de recolha dos portadores”, isto é, a probabilidade dos portadores gerados numa determinada região da célula serem recolhidos pela junção p-n e, posteriormente, contribuírem para a geração de corrente. A probabilidade de recolha depende da relação entre a distância que os portadores têm de percorrer e o seu comprimento de difusão. Numa célula ideal, a probabilidade de recolha de portadores gerados na zona de depleção é de 1, pois nesta região o campo elétrico é máximo, e os pares eletrão-buraco são rapidamente separados. Quanto mais afastados desta região, menor a probabilidade de recolha dos portadores e se a geração ocorrer a uma distância superior ao comprimento de difusão a probabilidade de recolha é muito reduzida. Assim sendo, a probabilidade de recolha e a taxa de geração determinam a corrente gerada pela célula [22].
2.9. Componentes das células fotovoltaicas
As células fotovoltaicas podem ser compostas de diversos materiais. O material utilizado na fabricação das células pode ser composto por ligas, como o sulfeto de cádmio e o arsenieto de gálio, entre outros, ou por apenas um elemento como o silício, o germânio ou o selénio.
Atualmente, a estrutura padrão das células solares de silício mais utilizada é a n+pp+, com a região n+ dopada com fósforo e a região p+ dopada com alumínio [23]. A maioria das células solares produzidas atualmente são constituídas por: contactos metálicos na superfície frontal (finger grid e busbars); material do tipo n e material do tipo p, obtidos através da difusão de fósforo e boro, respetivamente, formando uma junção p-n; superfície frontal com texturização e revestimento antirreflexo; e superfície traseira com uma back surface field criada através da aplicação de uma camada de alumínio [13]. Na Figura 2.11 encontra-se a estrutura de uma célula solar padrão.
O material da base é monocristalino e do tipo p, com uma dopagem de aproximadamente 1,5 × 1016 𝑐𝑚−3 , o que corresponde a uma resistividade de cerca de 1 Ω.cm, e uma espessura de 200 µm. A superfície frontal da amostra de silício, onde incide a radiação, é texturizada, preferencialmente com pirâmides invertidas [24]. Além da texturização, a superfície frontal deve ter uma camada de passivação e anti refletora de nitreto de silício (Si3N4) com uma espessura de sensivelmente 75 nm, de modo a minimizar as perdas por reflexão. O emissor é do tipo n, tem uma espessura que varia entre os 0,3 e 1 µm [24] e tem uma dopagem de cerca de 1019 𝑐𝑚−3. Na superfície traseira é depositado alumínio, formando uma região p+, que repele os portadores de carga minoritários para longe desta superfície [23]. Esta região é denominada de back surface field e tem uma concentração superior a 1020 𝑐𝑚−3. Além da camada de alumínio aplicada na superfície traseira da célula depositam-se tiras de Ag/Al (prata/alumínio) para permitir a soldagem das células.
Na superfície frontal é aplicada uma malha metálica de Ag. Para uma célula solar com cerca de 4 cm2 a rede de dedos metálicos (finger grid) deve ter uma largura de 15 µm e uma espessura de 8 µm. Os barramentos (busbar) têm uma largura de 150 µm e a ligação do contacto deve estar localizada no meio do barramento [8].
Os barramentos e a rede de dedos metálicos (ou contactos metálicos) constituem condutores elétricos. Os contactos metálicos formam linhas que recolhem energia da célula e entregam aos barramentos. Por sua vez, os barramentos são constituídos por alumínio ou cobre prateado, encontram-se perpendicularmente aos contactos metálicos e conduzem corrente DC da célula até ao inversor [25].
3. Tipos de células
3.1. Célula solar com emissor seletivo (SE)
A resistência de folha (sheet resistance) é um fator importante a ter em conta no estudo de células solares, uma vez que, está relacionada com a velocidade de recombinação dos portadores de carga e, consequentemente, influência o desempenho do dispositivo. O valor desta resistência varia entre os 40 a 50 Ω/sq nas células solares comerciais e é obtida por intermédio da dopagem homogénea da região do emissor.
Se o emissor tiver uma elevada concentração de dopante, a resistência de contacto entre o metal e o semicondutor é mais baixa, no entanto, o tempo de vida dos portadores gerados diminui, como resultado do aumento da recombinação de Auger e de SRH. Por outro lado, se o emissor possuir uma baixa dopagem, tem uma reduzida taxa de recombinação de superfície, o que resulta numa eficiência quântica interna (IQE) mais elevada para pequenos comprimentos de onda. Porém, a resistência de contacto será elevada, resultando numa maior resistência série, que como será visto mais à frente, idealmente deverá de ser o menor possível. A utilização de emissores com uma baixa resistência de folha resulta em células solares com uma má resposta para radiação com pequeno comprimento de onda.
Existe um tipo de células solares que permite resolver este problema de balanço entre velocidade de recombinação e resistência de contacto. A essas células dá-se o nome de células solares com emissor seletivo, isto significa que, a região do emissor onde os portadores gerados pela radiação são recolhidos é levemente dopada, de modo a reduzir os fenómenos de recombinação. No entanto, a região debaixo dos contactos é altamente dopada para reduzir o efeito resistivo.
Na Figura 3.1 encontra-se uma representação esquemática de uma célula SE.
3.2. Célula com contacto traseiro interdigitado (IBC)
Este tipo de célula foi introduzido em 1977 por Schwartz e Lammert [27] a sua estrutura distingue-se da das células convencionais por ter todos ou parte dos contactos metálicos da superfície frontal na superfície traseira, o que permite obter eficiências mais elevadas. Dado que tanto o emissor, como os contactos metálicos da base são colocados na mesma superfície, forma-se na superfície traseira uma rede interdigitada, ou seja, os contactos metálicos encontram-se intercalados [28]. Além disso, o campo de difusão do emissor e da superfície traseira, também, se encontram numa rede intercalada.
Substrato do tipo p
Contacto metálico de alumínio Tipo n
Nas células convencionais, isto é, nas células com contactos de ambos os lados da sua estrutura e uma junção frontal, a maioria dos portadores são gerados junto da junção e a eficiência quântica é, apenas, ligeiramente afetada pelo tempo de vida dos portadores, exceto para grandes comprimentos de onda. Por outro lado, numa célula de junção traseira, como é o caso das células IBC, os portadores são gerados pela absorção de radiação junto à superfície e têm de viajar toda a espessura da célula, pelo que a eficiência das células IBC é bastante sensível ao tempo de vida dos portadores no volume e à taxa de recombinação na superfície [27]. Para se obter uma elevada eficiência, estas células devem ter um longo tempo de vida dos portadores minoritários e uma baixa densidade de corrente de recombinação (ou corrente de saturação - menor que 10 fA/cm2) [27]. O comprimento de difusão deverá ser 5 a 10 vezes maior que a espessura da célula e as ligações n+ e p+ devem ser isoladas umas das outras nos pontos de contacto no módulo [8].
As células IBC oferecem inúmeras vantagens relativamente às células solares convencionais, nomeadamente [8][27][28][29]:
- Melhorias significativas na densidade de corrente de curto circuito (Jsc) alcançadas devido à inexistência de perdas por sombreamento (ausência de rede de metalização na superfície frontal), o que corresponde a um ganho de cerca de 5-7% na corrente gerada;
- São mais fáceis de interconectar em módulos e permitem uma maior densidade de acondicionamento;
- Devido à inexistência da rede metálica frontal, as propriedades ótimas de captura de radiação e a passivação da superfície frontal podem ser otimizadas, reduzindo assim o processo de recombinação.
3.3. Célula emitter wrap-through (EWT)
Este conceito de célula foi introduzido por Gee et al.[30], trata-se de um outro tipo de célula de contacto traseiro. A célula EWT tem vias perfuradas a laser para envolver o emissor da superfície da frente até aos contatos na superfície traseira [28].
As células solares comerciais têm o emissor e a rede metálica (contactos e barramentos) na superfície frontal. A colocação do emissor na superfície frontal é necessária para obter uma elevada eficiência de recolha dos portadores gerados, uma vez que, geralmente, o comprimento de difusão dos portadores é inferior à espessura da célula. Este tipo de células, com a rede metálica na superfície frontal, tem um problema como já foi visto anteriormente, a necessidade de encontrar um balanço ótimo entre aumentar a rede metálica, o que diminuir as perdas devido à resistência série ou diminuir a rede metálica, o que reduz as perdas causadas pelo sombreamento.
Radiação incidente Contactos
Passivação
Passivação Região bulk
Região bulk Camada dielétrica de passivação Contacto p+
Contacto n+
Existem dois métodos para colocar ambos os contactos na superfície traseira da célula. O primeiro caso é o apresentado na célula IBC, anteriormente descrita. O segundo método de colocação dos contactos na superfície traseira permite manter a junção de recolha de portadores na superfície frontal. Esta abordagem requer “furos” através do substrato para que a rede de recolha de corrente (rede metálica) na superfície traseira possa ser conectada com a junção de recolha de portadores da superfície frontal, ou seja, o emissor na superfície frontal vai estar conectado aos contactos metálicos na superfície traseira através destes “furos” [30].
A Figura 3.3 representa a esquematização de uma célula EWT.
O substrato das células EWT é de silício do tipo p. O emissor da superfície frontal tem apenas difusão de fósforo, cerca de 100 Ω/sq, e um revestimento antirreflexo. Pode, ainda, ser adicionada a esta superfície texturização para diminuir o fenómeno de refletância. Na superfície traseira encontra-se a rede interdigitada dos contactos com diferentes polaridades, tipo n e tipo p. A parte n da rede interdigitada consiste num “sulco” realizado a laser, tem uma elevada difusão de fósforo e é preenchida com metal. A elevada difusão tem como objetivo diminuir a resistência de contacto e a recombinação. O emissor da superfície frontal está ligado à superfície traseira através de vias perfuradas a laser, que são alinhadas com o emissor da superfície traseira têm, também, uma elevada difusão de fósforo e são metalizadas [30].
As vantagens da célula EWT são muito semelhantes às da célula IBC, nomeadamente a eliminação do sombreamento na superfície frontal devido à transposição da rede metálica para a superfície traseira. No entanto, as células EWT têm uma vantagem que as células IBC não possuem. Devido há existência de uma junção em ambas as superfícies da célula, a distância média dos portadores de carga minoritários ao emissor é significativamente menor. Portanto, podem ter um tempo de vida muito menor ao necessário no caso das células IBC. Esta possibilidade permite que se obtenham eficiências mais elevadas com as células EWT, mesmo que estas tenham um substrato de menor qualidade [28].
Emissor Traseiro Emissor Frontal
Base Radiação
Figura 3.3 – Representação esquemática de uma célula solar emitter wrap-through. Fonte: Imagem adaptada de [31].
4. Caracterização das células solares
A caraterização minuciosa das células solares é uma base crucial para o estudo e desenvolvimento de dispositivos cada vez mais eficientes e de menor custo. Existem algumas técnicas que podem ser utilizadas na caraterização das células e a partir das quais é possível efetuar uma avaliação do desempenho do dispositivo, compreender os fatores que afetam o seu desempenho e, ainda, caraterizar as propriedades dos materiais constituintes da célula.
4.1. Curva I-V
Parte da caraterização de uma célula solar passa pela análise da sua curva I-V, esta curva representa a relação caraterística entre a corrente e a tensão, isto é, a relação entre a tensão aplicada e a corrente que flui no circuito. É determinada realizando a monitorização da corrente da célula, ponto a ponto, desde o zero até à corrente de curto circuito.
As curvas caraterísticas são utilizadas, de um modo geral, como ferramenta para determinar e compreender o comportamento das células solares, uma vez que, a partir destas é possível retirar:
- A tensão em circuito aberto, Voc; - A corrente de curto circuito, Isc;;
- A corrente (Im) e a tensão (Vm) no ponto de potência máxima (Pm); - O fator de forma, FF;
- A eficiência, 𝜂.
Os parâmetros mencionados são fundamentais para caraterizar o desempenho e avaliar a qualidade das células solares.
Em termos matemáticos, a curva I-V não é nada mais do que a representação do comportamento da corrente gerada em função da tensão aplicada e obtém-se através da soma algébrica da curva I-V da célula no escuro com a corrente foto gerada quando se ilumina a célula solar. No escuro, a célula solar tem caraterísticas elétricas semelhantes a um díodo. Quando a radiação incide na célula solar, a curva I-V desloca-se para o 4° quadrante, à medida que a célula começa a gerar potência.
No cenário sem iluminação, o circuito da célula solar é equivalente ao de um díodo. Para o cenário com iluminação, é necessário acrescentar ao circuito uma fonte de corrente constante. Esta fonte está associada à geração de portadores de carga devido aos fotões absorvidos pela célula.
Quando a célula solar se encontra sob iluminação, a curva I-V correspondente encontra-se no 4° quadrante, no entanto, para o estudo e caraterização destes dispositivos a curva é deslocada para o 1° quadrante e a sua equação é dada por [32]:
