Uma pesquisadora na Alemanha analisou como os níveis de transparência da célula superior podem afetar o desempenho da célula inferior em células solares tandem empilhadas e descobriu que a transmissão imperfeita não afeta apenas a célula inferior, mas também a própria célula superior em um dispositivo compatível com a corrente.
“O insight central do meu trabalho é que a transparência da célula superior em conjunto – muitas vezes subestimada – é crítica para o desempenho geral do dispositivo”, disse Martina Schmid, cientista da Universidade de Duisburg-Essen, na Alemanha, à pv magazine. “Em particular, em uma configuração de 2 terminais com correspondência de corrente, a transmissão ruim através da célula superior prejudica diretamente seu próprio desempenho! Este é um fato impressionante – e surpreendentemente subestimado -, embora seja fundamentalmente óbvio”.
Schmid explicou que a célula superior deve atingir maior eficiência de célula única para compensar a transparência reduzida. “Como regra geral: se a célula superior transmite totalmente fótons abaixo de seu bandgap e o espectro solar é dividido igualmente entre as células superior e inferior, então a célula superior precisa atingir pelo menos 50% da eficiência da célula inferior para que o tandem corresponda ao desempenho de uma célula inferior sozinha” ela adicionou.
Em caso de transparência reduzida – por exemplo, para 35% – a célula superior deve ser ainda mais eficiente, de acordo com sua análise. Se, adicionalmente, o tandem superar a célula inferior única em 30%, é necessária uma taxa de eficiência de célula única de 85% de cima para baixo.
“Dados esses desafios, a divisão do espectro pode ser um caminho mais prático do que tentar otimizar a transparência sozinho”, enfatizou Schmid. “Além disso, os tandems têm uma desvantagem de eficiência do material, que pode ser mitigada combinando-os com técnicas de concentração de luz. Além disso, para aproveitar ao máximo a irradiação solar disponível, recomenda-se a operação bifacial – um passo essencial de qualquer maneira, especialmente porque a maioria dos módulos de silício hoje já são bifaciais.”
No estudo “Heuristic Rule of Thumb for Tandem Solar Cells and Perspectives for the Future“, publicado na Solar RRL, Schmid explicou que o crucial para os dispositivos tandem é que as junções pn das duas células estejam alinhadas para que a corrente possa fluir diretamente entre elas, muitas vezes facilitada por uma junção de túnel.
Este design é ideal para diminuir o número e a espessura das camadas intermediárias, o que minimiza a absorção óptica parasita e maximiza a luz, mas também é problemático para a eficiência geral da célula tandem sem correspondência de corrente entre os dispositivos superior e inferior, devido à célula com a menor saída de corrente.
O pesquisador também descreveu várias abordagens que podem ajudar a resolver alguns dos problemas de transparência das células superiores analisados no artigo.
“Embora seja essencial otimizar o material absorvedor para maximizar a absorção acima do bandgap e minimizar as perdas de sub-gap relacionadas a defeitos, outras camadas também devem ser consideradas”, acrescentou. “As camadas de contato, por exemplo, são uma importante fonte de perdas de transparência devido a efeitos como a absorção do portador de carga livre.”
Schmid também sugeriu melhorar o equilíbrio entre a transparência óptica da célula e a condutividade elétrica, bem como identificar novos projetos estratégicos para pilhas de filmes finos exibindo propagação de luz complexa. Além disso, ela recomendou o uso da divisão do espectro para substituir as perdas de transmissão pelas perdas mais baixas previstas da óptica de divisão do espectro.
“Para relaxar as restrições de correspondência de corrente, conceitos como acoplamento luminescente, refletores intermediários seletivos de comprimento de onda ou iluminação bifacial podem ser considerados”, concluiu. “Olhando para o futuro, as células concentradoras tandem bifaciais, em uma configuração de três terminais e combinadas com óptica de divisão de espectro para reduzir as perdas ópticas e melhorar a adaptabilidade à iluminação variável, oferecem um caminho inovador.”
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