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Células solares tandem de filme fino Craig Peters Enviado como curso
de Física 240 ,
Universidade de Stanford, outono de 2010 O problema da energia
De acordo com a Administração de Informação de Energia dos Estados
Unidos, espera-se que a demanda global por energia aumente em 50% até 2050. A
produção de módulos fotovoltaicos deve aumentar de 10-15 gigawatts (GW) por
ano em 2010 para 100-200 GW por ano para satisfazer uma significativa parte
dessa nova demanda esperada. O fracasso em atingir esses níveis de
produção provavelmente levará a um aumento da dependência de combustíveis
fósseis e aumentará o risco das mudanças climáticas globais. Além disso,
os americanos estão cada vez mais preocupados com a perda de empregos na
indústria nacional e com a importação de combustíveis fósseis de países com
liderança instável. A adoção em larga escala do PV ajudaria a mitigar os
danos ambientais, reduzir a dependência das importações de petróleo
estrangeiro e promover a criação de empregos domésticos. Existem
benefícios claros no desenvolvimento de tecnologias de alto risco, mas
disruptivas, Competição de Combustíveis Fósseis
O Departamento de Energia (DOE), em seu mais recente workshop "$
1 / W" realizado em Washington DC em agosto de 2010, estimou que a um
custo total instalado de $ 2 / Wp PV será
competitivo com o gás natural e a $ 1 / Wp A PV
competirá diretamente com o carvão. Embora eu tenha acesso à literatura
deste workshop, ela ainda não está disponível para consumo público. No
entanto, pode-se chegar a essa conclusão com base em um modelo de custo
simples que assume uma vida útil de 25 anos, custos de financiamento de 8% /
ano e uma média de 5,5 horas por dia de intensidade de luz de um sol. A
Fig. 1 mostra os custos de produção do módulo para os principais fabricantes
de módulos FV. O número de custo por watt para First
Solar é baseado no último relatório trimestral do investidor disponível
publicamente, enquanto os números para Sunpower e Trinasolar são baseados em apresentações de acionistas de
2010 disponíveis publicamente em cada um de seus sites. Os números da Suntech Power são mais difíceis de obter dada a gama de
produtos oferecidos (incluindo células solares de silício policristalino e monocristalino), mas as estimativas são baseadas no custo
do silício por watt, conforme relatado em seu último relatório trimestral
para investidores, e relacionadas aos custos da Trinasolar . A linha
de custo / eficiência projetada para 2015 é baseada no Roteiro de Tecnologia
de 2014 da First Solar e no Roteiro de Redução de
Custos de 2014 da Sunpower. Com os custos de
balanço do sistema (BOS) projetados em US $ 1 ~ 2 / Wp
até 2015, que, novamente com base na orientação dos maiores produtores
da indústria, os custos totais instalados ficarão mais próximos de US $ 2 ~ 3
/ Wp. Isso é encorajador, mas insuficiente
para ser perturbador e permitir que o PV seja adotado em grande escala sem
subsídios governamentais substanciais. A Fig. 1 destaca a região onde
uma tecnologia fotovoltaica se torna disruptiva e permite a competição direta
com gás natural e carvão sem o uso de subsídios. Solução Disruptiva As células solares em tandem têm o potencial de ser uma tecnologia
inovadora que pode permitir que o PV se torne competitivo com o combustível
fóssil. Em um tandem padrão, como mostrado na Fig. 2, duas células
solares individuais, uma utilizando um semicondutor bandgap
superior (célula superior) e a outra com um semicondutor bandgap
inferior (célula inferior), são empilhadas verticalmente. A célula
superior absorve fótons de alta energia enquanto permite que fótons de
energia inferior (sub-bandgap) passem pelo
dispositivo para a célula inferior, onde podem ser absorvidos. Os
tandens de dois terminais que são conectados em série requerem
correspondência de corrente, enquanto os tandems de
quatro terminais, que podem ser empilhados mecanicamente, removem a restrição
de correspondência de corrente.
As células solares em tandem de duas junções têm uma eficiência
teórica de aproximadamente 40% sob a intensidade de um sol e podem, em
princípio, ser compatíveis com técnicas de fabricação de baixo
custo. [2] A Fig. 3 mostra um gráfico da eficiência de um TSC de 4
terminais em função do bandgap da célula inferior
com base em um modelo simples que criei. O cálculo subjacente usa o
espectro solar sob condições AM 1.5 (luz não concentrada) e assume que um
fóton com uma energia acima do bandgap do material
será absorvido e convertido em um elétron fora dos dispositivos (ou seja, uma
eficiência quântica externa de 100% é assumido). O modelo também usa uma
célula inferior com um bandgap de 1,14eV (típico de
uma célula solar CIGS) e um Voc e FF que também são
típicos de células solares CIGS de alta eficiência. Embora seja um
modelo simplista, ele corresponde às previsões teóricas muito bem e
fornece o insight essencial necessário para entender por que os tandens
oferecem um potencial significativo se eles podem ser feitos de forma
barata. Pela figura, vemos que uma ampla gama de bandgaps
pode ser usada para a célula superior. Isso se deve principalmente à
configuração de 4 terminais, que remove a restrição de correspondência de
corrente entre as células. O modelo mostra que o bandgap
ideal para a célula superior é de ~ 1.8eV, o que novamente combina muito bem
com modelos mais rigorosos produzidos na literatura (por exemplo,
[1]). No entanto, este modelo assume um material monocristalino
ao qual o contato ôhmico perfeito pode ser feito em ambos os
eletrodos. A realidade dos dispositivos de filme fino é que ocorrem
várias perdas que reduzem a tensão e o FF. Um modelo mais realista para
células solares em tandem de filme fino policristalino responsável por essas
perdas leva a uma eficiência próxima de 25%. [2] Embora menor do que a
eficiência teórica, ainda é significativamente maior do que as células de
junção simples que estão sendo produzidas pela indústria. Como uma nota final, dispositivos tandem de maior eficiência são
possíveis quando mais junções são usadas (por exemplo, célula solar tandem de
três junções) ou quando concentração de luz é empregada. A eficiência
recorde em tandem é de 41,6%, que foi alcançada com uma célula solar de dois
terminais GaInP / GaInAs
/ Ge de três junções sob concentração de 364 sol. [3] No entanto, esses
dispositivos exigiam o crescimento epitaxial de material de cristal único
(por exemplo, GaAs) usando substratos monocristalinos caros (por exemplo, Ge cristalino único),
o que relegou essa tecnologia a aplicações solares concentradas. © Craig Peters. O autor concede permissão para copiar, distribuir
e exibir este trabalho de forma inalterada, com atribuição ao autor, apenas
para fins não comerciais. Todos os outros direitos, incluindo direitos
comerciais, são reservados ao autor. Referências [1] SR Kurtz, P. Faine e JM Olson, "Modeling of Two Junction, Series Connected Tandem Solar Cells using Top Cell Thickness as an Adjustable Parameter", J. Appl. Phys. 68 , 1890 (1990). [2]. R. Noufi et al. ,
"Toward a 25% -Efficient
Polycrystalline Thin-Film
Tandem Solar Cell: Practical
Issues," Proc. 3ª Conferência Mundial
sobre Conversão de Energia Fotovoltaica 1 , 12, (2003). [3] MA Green et al. , "Solar Cell
Efficiency Tables (Version 35)," Progress in Photovoltaics 18 , 144 (2010). |
