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Limites Fotovoltaicos Fundamentais Asad Kalantarian Enviado como curso
de Física 240 ,
Universidade de Stanford, outono de 2010 Como nossas atuais fontes de energia de baixo custo estão chegando ao fim, as fontes renováveis de
energia se tornam mais valiosas e mais valiosas. A imensidão de energia
que chega à Terra, juntamente com sua sincronia com o horário de pico de uso
do dia, fez da energia solar uma das fontes de energia mais promissoras para
o futuro. Embora o custo por watt seja o driver atual na indústria de
células solares, o impacto ambiental dos materiais usados,
bem como a pegada das usinas solares, serão importantes no futuro. A classificação de eficiência solar de uma célula fotovoltaica,
chamada de eficiência quântica externa, é uma medida da porcentagem de
energia solar que incide sobre o dispositivo que é aproveitado com a
célula. Células de maior eficiência são úteis se puderem ajudar a
reduzir o custo e / ou a pegada das usinas solares. A pesquisa sobre a
colheita de células solares levou a várias abordagens térmicas e
fotovoltaicas. A abordagem fotovoltaica depende do efeito fotovoltaico
para converter a radiação solar em eletricidade, um processo no qual os
elétrons são transferidos entre diferentes bandas (da valência para a banda
de condução) dentro do material, resultando no acúmulo de uma tensão ou fluxo
de corrente entre os dois eletrodos. Uma ampla gama de dispositivos fotovoltaicos, desde um único cristal
até semicondutores amorfos, tecnologias de filme fino, materiais orgânicos e
inorgânicos e células sensibilizadas por corante, foram e continuam a ser
estudados. A Fig. 1 mostra uma medida das mais altas eficiências de
células solares medidas para diferentes tipos de células. Um bom entendimento da eficiência celular máxima que pode ser obtida
para diferentes tipos de células é essencial para analisar o potencial de
diferentes técnicas de conversão. Este limite máximo é claramente
dependente do espectro solar da radiação disponível para nós na superfície da
Terra. Como estamos procurando encontrar a potência máxima de saída de
nosso dispositivo, desejamos obter o máximo do produto da tensão de saída
pela corrente de saída P = I V. A corrente máxima teórica seria obtida se
cada fóton absorvido produzisse um elétron que contribuiu para a corrente da
célula. Assim, a corrente máxima possível (elétrons por segundo vezes a
carga de um elétron) está diretamente relacionada à taxa de absorção de
fótons (fótons por segundo). A intensidade solar média que atinge a
superfície da Terra é de 1 kW / m2 .
A densidade máxima de corrente aumenta à medida que o gap fica menor,
uma vez que todos os fótons teriam energia suficiente para criar
eletricidade. Um semicondutor com intervalo de banda zero teria a maior
corrente de curto-circuito possível (J sc ), mas
não seria capaz de fornecer energia ao circuito externo (ou seja, P = IV,
então P seria 0 se V fosse 0 ) Agora, consideramos o que acontece quando
nenhuma corrente flui. Em uma célula solar semicondutora, quando nenhuma carga flui para fora
da célula, todos os elétrons gerados se acumulam na região do tipo n e todos os buracos na região do tipo p, até que
finalmente o campo interno desapareça e não haja mais uma barreira à
recombinação interna. O produz uma voltagem através do dispositivo
chamada voltagem de circuito aberto (V oc ). Este
também não é um ponto operacional útil, uma vez que corrente zero significa
potência zero. A energia elétrica fornecida por uma célula é o produto da corrente
que ela fornece e da voltagem na qual opera. A densidade de corrente não
pode ser maior que J sc e a
tensão não pode ser maior que V oc . Portanto, a potência de saída não pode ser
maior do que J sc × V oc . No
entanto, J sc diminui à medida
que o bandgap aumenta e V oc aumenta. Portanto,
há uma compensação inerente e o máximo teórico de J sc ×
V oc é obtido quando o
intervalo de banda é 1,1 eV e atinge 320 W /
m 2 usando o espectro solar AM1.5, o que equivale a
30,0% externo eficiência quântica (EQE). [2] Esse número é conhecido como limite de Shockley-Quiesser
e representa o máximo teórico para uma célula com uma única junção pn. A eficiência de conversão de energia é calculada
da seguinte forma: EQE = J sc ×
V oc × FF / P solar , onde FF é um número menor que um
relacionado à idealidade do dispositivo. Existem estruturas e dispositivos que podem de fato vencer o Limite de
Shockley-Queisser, mudando as suposições usadas na
teoria de Shockley-Queisser. Um exemplo seria
o uso de dispositivos de heterojunção que usam
vários materiais semicondutores para usar toda a gama do espectro
solar. Essas células solares terão seus próprios limites de eficiência. © Asad Kalantarian. 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] S. Kurtz, "Oportunidades e Desafios para o Desenvolvimento de
uma Indústria de Energia Fotovoltaica de Concentração Madura",
Laboratório Nacional de Energia Renovável dos EUA, Relatório Técnico, NREL / TP-520-43208 , novembro de
2009. [2] W. Shockley e HJ Queisser, "Detailed Balance Limit of Efficiency of pn Junction
Solar Cells", J. Appl. Phys. 32 , 510
(1961). |
