Célula Solar com Banda Intermediária de Ponto Quântico

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1 Célula Solar com Banda Intermediária de Ponto Quântico Rodrigo M. Pereira Instituto de Física, UFRJ Seminário fora de área 1 o de outubro, 2009 Rodrigo M. Pereira (IF-UFRJ) Célula Solar com Banda Intermediária de PQ Seminário fora de área 1 / 25

2 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 Rodrigo M. Pereira (IF-UFRJ) Célula Solar com Banda Intermediária de PQ Seminário fora de área 2 / 25

3 Células Solares Básico Célula solar: básico A junção p-n Rodrigo M. Pereira (IF-UFRJ) Célula Solar com Banda Intermediária de PQ Seminário fora de área 3 / 25

4 Células Solares Básico Célula solar: básico A junção p-n Rodrigo M. Pereira (IF-UFRJ) Célula Solar com Banda Intermediária de PQ Seminário fora de área 3 / 25

5 Células Solares Básico Rodrigo M. Pereira (IF-UFRJ) Célula Solar com Banda Intermediária de PQ Seminário fora de área 4 / 25

6 Células Solares Histórico 1877 W.G. Adams & R.E. Days: efeito fotovoltaico em selênio 1883 Charles Fritts: 1 a célula solar. η = 1% 1888 Edward Weston: 1 a patente americana 1905 Einstein: efeito fotoelétrico 1946 R. Ohl: patente da célula de junções semicondutoras 1954 Lab. Bell: sensibilidade do silício dopado 1 o 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% recorde NREL x Fraunhoffer Inst. x Univ. Delaware η = 40.8% x 41.1% x 42.8% Rodrigo M. Pereira (IF-UFRJ) Célula Solar com Banda Intermediária de PQ Seminário fora de área 5 / 25

7 Células Solares Histórico 1877 W.G. Adams & R.E. Days: efeito fotovoltaico em selênio 1883 Charles Fritts: 1 a célula solar. η = 1% 1888 Edward Weston: 1 a patente americana 1905 Einstein: efeito fotoelétrico 1946 R. Ohl: patente da célula de junções semicondutoras 1954 Lab. Bell: sensibilidade do silício dopado 1 o 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% recorde NREL x Fraunhoffer Inst. x Univ. Delaware η = 40.8% x 41.1% x 42.8% Rodrigo M. Pereira (IF-UFRJ) Célula Solar com Banda Intermediária de PQ Seminário fora de área 5 / 25

8 Células Solares Histórico 1877 W.G. Adams & R.E. Days: efeito fotovoltaico em selênio 1883 Charles Fritts: 1 a célula solar. η = 1% 1888 Edward Weston: 1 a patente americana 1905 Einstein: efeito fotoelétrico 1946 R. Ohl: patente da célula de junções semicondutoras 1954 Lab. Bell: sensibilidade do silício dopado 1 o 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% recorde NREL x Fraunhoffer Inst. x Univ. Delaware η = 40.8% x 41.1% x 42.8% Rodrigo M. Pereira (IF-UFRJ) Célula Solar com Banda Intermediária de PQ Seminário fora de área 5 / 25

9 Células Solares Histórico 1877 W.G. Adams & R.E. Days: efeito fotovoltaico em selênio 1883 Charles Fritts: 1 a célula solar. η = 1% 1888 Edward Weston: 1 a patente americana 1905 Einstein: efeito fotoelétrico 1946 R. Ohl: patente da célula de junções semicondutoras 1954 Lab. Bell: sensibilidade do silício dopado 1 o 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% recorde NREL x Fraunhoffer Inst. x Univ. Delaware η = 40.8% x 41.1% x 42.8% Rodrigo M. Pereira (IF-UFRJ) Célula Solar com Banda Intermediária de PQ Seminário fora de área 5 / 25

10 Células Solares Histórico 1877 W.G. Adams & R.E. Days: efeito fotovoltaico em selênio 1883 Charles Fritts: 1 a célula solar. η = 1% 1888 Edward Weston: 1 a patente americana 1905 Einstein: efeito fotoelétrico 1946 R. Ohl: patente da célula de junções semicondutoras 1954 Lab. Bell: sensibilidade do silício dopado 1 o 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% recorde NREL x Fraunhoffer Inst. x Univ. Delaware η = 40.8% x 41.1% x 42.8% Rodrigo M. Pereira (IF-UFRJ) Célula Solar com Banda Intermediária de PQ Seminário fora de área 5 / 25

11 Células Solares Histórico 1877 W.G. Adams & R.E. Days: efeito fotovoltaico em selênio 1883 Charles Fritts: 1 a célula solar. η = 1% 1888 Edward Weston: 1 a patente americana 1905 Einstein: efeito fotoelétrico 1946 R. Ohl: patente da célula de junções semicondutoras 1954 Lab. Bell: sensibilidade do silício dopado 1 o 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% recorde NREL x Fraunhoffer Inst. x Univ. Delaware η = 40.8% x 41.1% x 42.8% Rodrigo M. Pereira (IF-UFRJ) Célula Solar com Banda Intermediária de PQ Seminário fora de área 5 / 25

12 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(x g, x c, t s, f) x g = E g/kt s x c = T c/t s t s = probabilidade de absorção de fóton com hν > E g f inclui recombinações de pares e ângulo sólido subentendido pelo sol Hipóteses para uma primeira estimativa u(x g) Espectro solar: corpo negro Célula esférica recebe radiação de todas as direções T c = 0 Todo fóton E > hν g produz carga eletrônica q a voltagem V g = hν g/q Rodrigo M. Pereira (IF-UFRJ) Célula Solar com Banda Intermediária de PQ Seminário fora de área 6 / 25

13 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(x g, x c, t s, f) x g = E g/kt s x c = T c/t s t s = probabilidade de absorção de fóton com hν > E g f inclui recombinações de pares e ângulo sólido subentendido pelo sol Hipóteses para uma primeira estimativa u(x g) Espectro solar: corpo negro Célula esférica recebe radiação de todas as direções T c = 0 Todo fóton E > hν g produz carga eletrônica q a voltagem V g = hν g/q Rodrigo M. Pereira (IF-UFRJ) Célula Solar com Banda Intermediária de PQ Seminário fora de área 6 / 25

14 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(x g, x c, t s, f) x g = E g/kt s x c = T c/t s t s = probabilidade de absorção de fóton com hν > E g f inclui recombinações de pares e ângulo sólido subentendido pelo sol Hipóteses para uma primeira estimativa u(x g) Espectro solar: corpo negro Célula esférica recebe radiação de todas as direções T c = 0 Todo fóton E > hν g produz carga eletrônica q a voltagem V g = hν g/q Rodrigo M. Pereira (IF-UFRJ) Célula Solar com Banda Intermediária de PQ Seminário fora de área 6 / 25

15 Células Solares Limite de Shockley & Queisser Número de quanta com ν > ν g incidentes por un. de área por un. de tempo: Q(ν g, T s) = Z ν g u(ν, T s)/(hν)dν = (2π/c 2 ) = [2π(kT s) 3 /h 3 c 2 ] Z Z ν g x g x 2 dx/(e x 1) Energia total incidente por un. de área por un. de tempo: P s = Z 0 u(ν, T s)dν = (2πh/c 2 ) = [2π 5 (kt s) 4 /h 3 c 2 ] Z 0 Z 0 x 3 dx/(e x 1) Eficiência: u(x g) = hν gq s/p s Z i h = hx Z g x 2 dx/(e x 1) / x g 0 [exp(hν/kt s) 1] 1 ν 2 dν ν 3 dν/ [exp(hν/kt s) 1] i x 3 dx/(e x 1) lim xg 0 u(x g) = lim xg u(x g) = 0 u(x g) possui máximo Rodrigo M. Pereira (IF-UFRJ) Célula Solar com Banda Intermediária de PQ Seminário fora de área 7 / 25

16 Células Solares Limite de Shockley & Queisser Número de quanta com ν > ν g incidentes por un. de área por un. de tempo: Q(ν g, T s) = Z ν g u(ν, T s)/(hν)dν = (2π/c 2 ) = [2π(kT s) 3 /h 3 c 2 ] Z Z ν g x g x 2 dx/(e x 1) Energia total incidente por un. de área por un. de tempo: P s = Z 0 u(ν, T s)dν = (2πh/c 2 ) = [2π 5 (kt s) 4 /h 3 c 2 ] Z 0 Z 0 x 3 dx/(e x 1) Eficiência: u(x g) = hν gq s/p s Z i h = hx Z g x 2 dx/(e x 1) / x g 0 [exp(hν/kt s) 1] 1 ν 2 dν ν 3 dν/ [exp(hν/kt s) 1] i x 3 dx/(e x 1) lim xg 0 u(x g) = lim xg u(x g) = 0 u(x g) possui máximo Rodrigo M. Pereira (IF-UFRJ) Célula Solar com Banda Intermediária de PQ Seminário fora de área 7 / 25

17 Células Solares Limite de Shockley & Queisser Número de quanta com ν > ν g incidentes por un. de área por un. de tempo: Q(ν g, T s) = Z ν g u(ν, T s)/(hν)dν = (2π/c 2 ) = [2π(kT s) 3 /h 3 c 2 ] Z Z ν g x g x 2 dx/(e x 1) Energia total incidente por un. de área por un. de tempo: P s = Z 0 u(ν, T s)dν = (2πh/c 2 ) = [2π 5 (kt s) 4 /h 3 c 2 ] Z 0 Z 0 x 3 dx/(e x 1) Eficiência: u(x g) = hν gq s/p s Z i h = hx Z g x 2 dx/(e x 1) / x g 0 [exp(hν/kt s) 1] 1 ν 2 dν ν 3 dν/ [exp(hν/kt s) 1] i x 3 dx/(e x 1) lim xg 0 u(x g) = lim xg u(x g) = 0 u(x g) possui máximo Rodrigo M. Pereira (IF-UFRJ) Célula Solar com Banda Intermediária de PQ Seminário fora de área 7 / 25

18 Células Solares Limite de Shockley & Queisser Número de quanta com ν > ν g incidentes por un. de área por un. de tempo: Q(ν g, T s) = Z ν g u(ν, T s)/(hν)dν = (2π/c 2 ) = [2π(kT s) 3 /h 3 c 2 ] Z Z ν g x g x 2 dx/(e x 1) Energia total incidente por un. de área por un. de tempo: P s = Z 0 u(ν, T s)dν = (2πh/c 2 ) = [2π 5 (kt s) 4 /h 3 c 2 ] Z 0 Z 0 x 3 dx/(e x 1) Eficiência: u(x g) = hν gq s/p s Z i h = hx Z g x 2 dx/(e x 1) / x g 0 [exp(hν/kt s) 1] 1 ν 2 dν ν 3 dν/ [exp(hν/kt s) 1] i x 3 dx/(e x 1) lim xg 0 u(x g) = lim xg u(x g) = 0 u(x g) possui máximo Rodrigo M. Pereira (IF-UFRJ) Célula Solar com Banda Intermediária de PQ Seminário fora de área 7 / 25

19 Células Solares Limite de Shockley & Queisser u max(x g) = 44% para x g = 2.2 (T s = 6000K E g = 1.1 ev ) Cálculo completo considerando T c = 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% Rodrigo M. Pereira (IF-UFRJ) Célula Solar com Banda Intermediária de PQ Seminário fora de área 8 / 25

20 Células Solares Limite de Shockley & Queisser u max(x g) = 44% para x g = 2.2 (T s = 6000K E g = 1.1 ev ) Cálculo completo considerando T c = 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% Rodrigo M. Pereira (IF-UFRJ) Célula Solar com Banda Intermediária de PQ Seminário fora de área 8 / 25

21 Células Solares Limite de Shockley & Queisser u max(x g) = 44% para x g = 2.2 (T s = 6000K E g = 1.1 ev ) Cálculo completo considerando T c = 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% Rodrigo M. Pereira (IF-UFRJ) Célula Solar com Banda Intermediária de PQ Seminário fora de área 8 / 25

22 Célula Solar com Banda Intermediária 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 Rodrigo M. Pereira (IF-UFRJ) Célula Solar com Banda Intermediária de PQ Seminário fora de área 9 / 25

23 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% Rodrigo M. Pereira (IF-UFRJ) Célula Solar com Banda Intermediária de PQ Seminário fora de área 10 / 25

24 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% Rodrigo M. Pereira (IF-UFRJ) Célula Solar com Banda Intermediária de PQ Seminário fora de área 10 / 25

25 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% Rodrigo M. Pereira (IF-UFRJ) Célula Solar com Banda Intermediária de PQ Seminário fora de área 10 / 25

26 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 Rodrigo M. Pereira (IF-UFRJ) Célula Solar com Banda Intermediária de PQ Seminário fora de área 11 / 25

27 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 Rodrigo M. Pereira (IF-UFRJ) Célula Solar com Banda Intermediária de PQ Seminário fora de área 11 / 25

28 Célula Solar com Banda Intermediária Eficiência teórica Generalizando Shockley-Queisser Variação de fótons no modo ν dν dt = X ˆhCi,V j (ν + 1)f Ci (1 f Vj ) h Vj,C i ν f Vj (1 f Ci ) i,j + X ˆhCi,I j (ν + 1)f Ci (1 f Ij ) h Ij,C i ν f Ij (1 f Ci ) i,j + X i,j ˆhIi,V j (ν + 1)f Ii (1 f Vj ) h Vj,I i ν f Vj (1 f Ii ) lim t ν = α CV ν CV +α CI ν CI +α IV ν IV α CV +α CI +α IV ν X 1 e (ɛ µ X )/kt 1 α XY P i,j hx i,y j (f Xi f Yj ), onde Estatística de Bose-Einstein fluxo de fótons entrando e saindo da célula Balanço I; Com qv = ɛ g potência Stefan-Boltzman potência total incidente eficiência Rodrigo M. Pereira (IF-UFRJ) Célula Solar com Banda Intermediária de PQ Seminário fora de área 12 / 25

29 Célula Solar com Banda Intermediária Eficiência teórica Generalizando Shockley-Queisser Variação de fótons no modo ν dν dt = X ˆhCi,V j (ν + 1)f Ci (1 f Vj ) h Vj,C i ν f Vj (1 f Ci ) i,j + X ˆhCi,I j (ν + 1)f Ci (1 f Ij ) h Ij,C i ν f Ij (1 f Ci ) i,j + X i,j ˆhIi,V j (ν + 1)f Ii (1 f Vj ) h Vj,I i ν f Vj (1 f Ii ) lim t ν = α CV ν CV +α CI ν CI +α IV ν IV α CV +α CI +α IV ν X 1 e (ɛ µ X )/kt 1 α XY P i,j hx i,y j (f Xi f Yj ), onde Estatística de Bose-Einstein fluxo de fótons entrando e saindo da célula Balanço I; Com qv = ɛ g potência Stefan-Boltzman potência total incidente eficiência Rodrigo M. Pereira (IF-UFRJ) Célula Solar com Banda Intermediária de PQ Seminário fora de área 12 / 25

30 Célula Solar com Banda Intermediária Eficiência teórica Generalizando Shockley-Queisser Variação de fótons no modo ν dν dt = X ˆhCi,V j (ν + 1)f Ci (1 f Vj ) h Vj,C i ν f Vj (1 f Ci ) i,j + X ˆhCi,I j (ν + 1)f Ci (1 f Ij ) h Ij,C i ν f Ij (1 f Ci ) i,j + X i,j ˆhIi,V j (ν + 1)f Ii (1 f Vj ) h Vj,I i ν f Vj (1 f Ii ) lim t ν = α CV ν CV +α CI ν CI +α IV ν IV α CV +α CI +α IV ν X 1 e (ɛ µ X )/kt 1 α XY P i,j hx i,y j (f Xi f Yj ), onde Estatística de Bose-Einstein fluxo de fótons entrando e saindo da célula Balanço I; Com qv = ɛ g potência Stefan-Boltzman potência total incidente eficiência Rodrigo M. Pereira (IF-UFRJ) Célula Solar com Banda Intermediária de PQ Seminário fora de área 12 / 25

31 Célula Solar com Banda Intermediária Eficiência teórica Generalizando Shockley-Queisser Variação de fótons no modo ν dν dt = X ˆhCi,V j (ν + 1)f Ci (1 f Vj ) h Vj,C i ν f Vj (1 f Ci ) i,j + X ˆhCi,I j (ν + 1)f Ci (1 f Ij ) h Ij,C i ν f Ij (1 f Ci ) i,j + X i,j ˆhIi,V j (ν + 1)f Ii (1 f Vj ) h Vj,I i ν f Vj (1 f Ii ) lim t ν = α CV ν CV +α CI ν CI +α IV ν IV α CV +α CI +α IV ν X 1 e (ɛ µ X )/kt 1 α XY P i,j hx i,y j (f Xi f Yj ), onde Estatística de Bose-Einstein fluxo de fótons entrando e saindo da célula Balanço I; Com qv = ɛ g potência Stefan-Boltzman potência total incidente eficiência Rodrigo M. Pereira (IF-UFRJ) Célula Solar com Banda Intermediária de PQ Seminário fora de área 12 / 25

32 Célula Solar com Banda Intermediária Eficiência teórica Generalizando Shockley-Queisser Variação de fótons no modo ν dν dt = X ˆhCi,V j (ν + 1)f Ci (1 f Vj ) h Vj,C i ν f Vj (1 f Ci ) i,j + X ˆhCi,I j (ν + 1)f Ci (1 f Ij ) h Ij,C i ν f Ij (1 f Ci ) i,j + X i,j ˆhIi,V j (ν + 1)f Ii (1 f Vj ) h Vj,I i ν f Vj (1 f Ii ) lim t ν = α CV ν CV +α CI ν CI +α IV ν IV α CV +α CI +α IV ν X 1 e (ɛ µ X )/kt 1 α XY P i,j hx i,y j (f Xi f Yj ), onde Estatística de Bose-Einstein fluxo de fótons entrando e saindo da célula Balanço I; Com qv = ɛ g potência Stefan-Boltzman potência total incidente eficiência Rodrigo M. Pereira (IF-UFRJ) Célula Solar com Banda Intermediária de PQ Seminário fora de área 12 / 25

33 Célula Solar com Banda Intermediária Eficiência teórica Para cada ɛ I há um η máximo variando ɛ g η max = 63.1% para ɛ I = 0.71 ev e ɛ g = 1.95 ev Como construir uma CSBI mais próxima possível da ideal? Rodrigo M. Pereira (IF-UFRJ) Célula Solar com Banda Intermediária de PQ Seminário fora de área 13 / 25

34 Célula Solar com Banda Intermediária Eficiência teórica Para cada ɛ I há um η máximo variando ɛ g η max = 63.1% para ɛ I = 0.71 ev e ɛ g = 1.95 ev Como construir uma CSBI mais próxima possível da ideal? Rodrigo M. Pereira (IF-UFRJ) Célula Solar com Banda Intermediária de PQ Seminário fora de área 13 / 25

35 Célula Solar com Banda Intermediária Eficiência teórica Para cada ɛ I há um η máximo variando ɛ g η max = 63.1% para ɛ I = 0.71 ev e ɛ g = 1.95 ev Como construir uma CSBI mais próxima possível da ideal? Rodrigo M. Pereira (IF-UFRJ) Célula Solar com Banda Intermediária de PQ Seminário fora de área 13 / 25

36 CSBI de Pontos Quânticos 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 Rodrigo M. Pereira (IF-UFRJ) Célula Solar com Banda Intermediária de PQ Seminário fora de área 14 / 25

37 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 Rodrigo M. Pereira (IF-UFRJ) Célula Solar com Banda Intermediária de PQ Seminário fora de área 15 / 25

38 CSBI de Pontos Quânticos A ideia 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 ɛ I = 0.71 ev Al xga 1 xas (x 0.4 para E g = 1.95 ev ) e In xga 1 xas (x = 0.58 para V 0 = 0.87 ev ) Rodrigo M. Pereira (IF-UFRJ) Célula Solar com Banda Intermediária de PQ Seminário fora de área 16 / 25

39 CSBI de Pontos Quânticos A ideia 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 ɛ I = 0.71 ev Al xga 1 xas (x 0.4 para E g = 1.95 ev ) e In xga 1 xas (x = 0.58 para V 0 = 0.87 ev ) Rodrigo M. Pereira (IF-UFRJ) Célula Solar com Banda Intermediária de PQ Seminário fora de área 16 / 25

40 CSBI de Pontos Quânticos A ideia 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 ɛ I = 0.71 ev Al xga 1 xas (x 0.4 para E g = 1.95 ev ) e In xga 1 xas (x = 0.58 para V 0 = 0.87 ev ) Rodrigo M. Pereira (IF-UFRJ) Célula Solar com Banda Intermediária de PQ Seminário fora de área 16 / 25

41 CSBI de Pontos Quânticos A ideia 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 ɛ I = 0.71 ev Al xga 1 xas (x 0.4 para E g = 1.95 ev ) e In xga 1 xas (x = 0.58 para V 0 = 0.87 ev ) Rodrigo M. Pereira (IF-UFRJ) Célula Solar com Banda Intermediária de PQ Seminário fora de área 16 / 25

42 CSBI de Pontos Quânticos A ideia 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 ɛ I = 0.71 ev Al xga 1 xas (x 0.4 para E g = 1.95 ev ) e In xga 1 xas (x = 0.58 para V 0 = 0.87 ev ) Rodrigo M. Pereira (IF-UFRJ) Célula Solar com Banda Intermediária de PQ Seminário fora de área 16 / 25

43 CSBI de Pontos Quânticos A ideia 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 ɛ I = 0.71 ev Al xga 1 xas (x 0.4 para E g = 1.95 ev ) e In xga 1 xas (x = 0.58 para V 0 = 0.87 ev ) Rodrigo M. Pereira (IF-UFRJ) Célula Solar com Banda Intermediária de PQ Seminário fora de área 16 / 25

44 CSBI de Pontos Quânticos A ideia Diagramas Rodrigo M. Pereira (IF-UFRJ) Célula Solar com Banda Intermediária de PQ Seminário fora de área 17 / 25

45 CSBI de Pontos Quânticos A ideia Diagramas Rodrigo M. Pereira (IF-UFRJ) Célula Solar com Banda Intermediária de PQ Seminário fora de área 17 / 25

46 CSBI de Pontos Quânticos Protótipo Protótipo de CSBI de Pontos Quânticos A. Martí et al., Thin Solid Films (2006) 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 ( ev ) longe de 0.71 ev Wetting layer cria um poço quântico Rodrigo M. Pereira (IF-UFRJ) Célula Solar com Banda Intermediária de PQ Seminário fora de área 18 / 25

47 CSBI de Pontos Quânticos Protótipo Protótipo de CSBI de Pontos Quânticos A. Martí et al., Thin Solid Films (2006) 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 ( ev ) longe de 0.71 ev Wetting layer cria um poço quântico Rodrigo M. Pereira (IF-UFRJ) Célula Solar com Banda Intermediária de PQ Seminário fora de área 18 / 25

48 CSBI de Pontos Quânticos Protótipo Protótipo de CSBI de Pontos Quânticos A. Martí et al., Thin Solid Films (2006) 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 ( ev ) longe de 0.71 ev Wetting layer cria um poço quântico Rodrigo M. Pereira (IF-UFRJ) Célula Solar com Banda Intermediária de PQ Seminário fora de área 18 / 25

49 CSBI de Pontos Quânticos Protótipo 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) Rodrigo M. Pereira (IF-UFRJ) Célula Solar com Banda Intermediária de PQ Seminário fora de área 19 / 25

50 CSBI de Pontos Quânticos Protótipo Capacitância Bias reverso Cargas na camada de depleção capacitância C Aɛ d C(V = 0) d Resultados indicam que PQs estão totalmente na camada de depleção Rodrigo M. Pereira (IF-UFRJ) Célula Solar com Banda Intermediária de PQ Seminário fora de área 20 / 25

51 CSBI de Pontos Quânticos Protótipo Capacitância Bias reverso Cargas na camada de depleção capacitância C Aɛ d C(V = 0) d Resultados indicam que PQs estão totalmente na camada de depleção Rodrigo M. Pereira (IF-UFRJ) Célula Solar com Banda Intermediária de PQ Seminário fora de área 20 / 25

52 CSBI de Pontos Quânticos Protótipo Capacitância Bias reverso Cargas na camada de depleção capacitância C Aɛ d C(V = 0) d Resultados indicam que PQs estão totalmente na camada de depleção Rodrigo M. Pereira (IF-UFRJ) Célula Solar com Banda Intermediária de PQ Seminário fora de área 20 / 25

53 CSBI de Pontos Quânticos Protótipo Apenas algumas camadas de PQs são semipreenchidas Transporte de portadores na BI doping desnecessário Rodrigo M. Pereira (IF-UFRJ) Célula Solar com Banda Intermediária de PQ Seminário fora de área 21 / 25

54 CSBI de Pontos Quânticos Protótipo Apenas algumas camadas de PQs são semipreenchidas Transporte de portadores na BI doping desnecessário Rodrigo M. Pereira (IF-UFRJ) Célula Solar com Banda Intermediária de PQ Seminário fora de área 21 / 25

55 CSBI de Pontos Quânticos Protótipo Apenas algumas camadas de PQs são semipreenchidas Transporte de portadores na BI doping desnecessário Rodrigo M. Pereira (IF-UFRJ) Célula Solar com Banda Intermediária de PQ Seminário fora de área 21 / 25

56 CSBI de Pontos Quânticos Protótipo Caracterização detalhada Eletroluminescência Espectro de emissão sob bias direto Eficiência quântica Monitoração da fotocorrente como função do comprimento de onda dos fótons incidentes Rodrigo M. Pereira (IF-UFRJ) Célula Solar com Banda Intermediária de PQ Seminário fora de área 22 / 25

57 CSBI de Pontos Quânticos Protótipo Caracterização detalhada Eletroluminescência Espectro de emissão sob bias direto Eficiência quântica Monitoração da fotocorrente como função do comprimento de onda dos fótons incidentes Rodrigo M. Pereira (IF-UFRJ) Célula Solar com Banda Intermediária de PQ Seminário fora de área 22 / 25

58 CSBI de Pontos Quânticos Protótipo Identificação de picos facilitada introduzindo-se w(λ) = exp ( f /f) min[exp ( f /f)] max [exp ( f /f) min[exp ( f /f)]] Rodrigo M. Pereira (IF-UFRJ) Célula Solar com Banda Intermediária de PQ Seminário fora de área 23 / 25

59 CSBI de Pontos Quânticos Protótipo GaAs Picos 1 e 3: emissões das regiões dopadas e não-dopadas Pico a: mínimo da EL Pico 2: origem desconhecida Rodrigo M. Pereira (IF-UFRJ) Célula Solar com Banda Intermediária de PQ Seminário fora de área 24 / 25

60 CSBI de Pontos Quânticos Protótipo 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 Rodrigo M. Pereira (IF-UFRJ) Célula Solar com Banda Intermediária de PQ Seminário fora de área 24 / 25

61 CSBI de Pontos Quânticos Protótipo 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 Rodrigo M. Pereira (IF-UFRJ) Célula Solar com Banda Intermediária de PQ Seminário fora de área 24 / 25

62 CSBI de Pontos Quânticos Protótipo Para a célula Diferença entre 8 e 5 (124 mev ) dá o menor ɛ g Diferença entre 6 e 5 sem δ-doping (255 mev ) é a maior, embora ainda longe do ideal (0.71 ev ) Rodrigo M. Pereira (IF-UFRJ) Célula Solar com Banda Intermediária de PQ Seminário fora de área 24 / 25

63 CSBI de Pontos Quânticos Protótipo 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 Rodrigo M. Pereira (IF-UFRJ) Célula Solar com Banda Intermediária de PQ Seminário fora de área 25 / 25

64 CSBI de Pontos Quânticos Protótipo 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 Rodrigo M. Pereira (IF-UFRJ) Célula Solar com Banda Intermediária de PQ Seminário fora de área 25 / 25

65 CSBI de Pontos Quânticos Protótipo 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 Rodrigo M. Pereira (IF-UFRJ) Célula Solar com Banda Intermediária de PQ Seminário fora de área 25 / 25

66 CSBI de Pontos Quânticos Protótipo 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 Rodrigo M. Pereira (IF-UFRJ) Célula Solar com Banda Intermediária de PQ Seminário fora de área 25 / 25

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