Concentramos nessa página as informações sobre a utilização do aplicativo de simulação de células solares. Por se tratar de um aplicativo de pesquisa, apresentamos dois questionários, à partir dos quais informações serão obtidas sobre a dinâmica de uso e sobre os usuários do aplicativo.
Disponibilizamos também dois roteiros de utilização do aplicativo, o primeiro na forma de vídeo e o segundo como um texto mais detalhado.
A seguir encontram-se dois questionários:
- Questionário #1 – Responder antes da utilização do aplicativo
- Questionário #2 – Responder após a utilização do aplicativo
| QUESTIONÁRIO #1 | QUESTIONÁRIO #2 |
Clique no botão a seguir para fazer download do aplicativo de simulação de propriedades óticas de células solares
IBSC – Simulationfor Windows |
IBSC – Simulation
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| IBSC SOURCE CODE (Python) |
Roteiro de utilização da simulação de Células Solares de Banda Intermediária
1. Informações básicas sobre células solares
De modo muito básico, células solares são dispositivos opto-eletrônicos capazes de gerar corrente elétrica a partir da absorção da luz proveniente do sol. Tais dispositivos são em geral formados pelo agrupamento de camadas de materiais semicondutores dopados e não dopados (intrínsecos), formando o que conhecemos como junções p-i-n.
Os semicondutores que formam as camadas da célula solar são classificados por suas bandas de energia, uma delas totalmente ocupada por elétrons – chamada de banda de valência (BV) e outra totalmente vazia – chamada de condução (BC). Os elétrons mais energéticos na BV podem absorver fótons e ganhar energia suficiente para popular estados na BC que, devido à grande quantidade de estados vazios, permite que haja o movimento eletrônico, ou seja, que haja corrente elétrica.
Quando a luz incide numa célula solar, os elétrons são promovidos a estados nos quais têm maior liberdade de movimento. Mas para que o movimento ocorra é necessário um campo elétrico. Esse campo elétrico é determinado pelas dopagens do tipo p e do tipo n nos chamados contatos elétricos da célula, formando a junção p-i-n. A diferença de potencial entre os contatos gera uma deflexão da região intrínseca da célula solar, levando ao perfil de potencial mostrado na Figura 1(a). Os estados que ficam vagos após a excitação dos elétrons da BV para a BC, são chamados de buracos (falta de elétrons) e se comportam como cargas positivas que também podem gerar corrente elétrica.
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| Figura 1: Esquema de formação de uma junção p-i-n. (a) Perfil de bandas para uma junção p-i-n formada por um único tipo de semicondutor, onde a diferença entre as camadas está na dopagem. Os elétrons podem ser excitados a partir da banda de valência (BV) até a banda de condução, atravessando a região entre elas conhecida como gap de energia. Como podemos ver, as camadas dopadas levam à deflexão na camada intrínseca na qual os elétrons ganham velocidade e são extraídos da estrutura na forma de corrente. (b) Perfil de potencial para uma junção p-i-n na qual um semicondutor diferente foi inserido na camada intrínseca, gerando o perfil de potencial do tipo poço quântico. Nesse sistema, além da transição entre a BV e BC, gera-se uma nova transição entre os estados ligados no poço quântico e1 (na BC) e h1 (na BV). |
A separação entre o topo da banda de valência e o fundo da banda de condução define o comprimento de onda (energia) da luz que a célula solar será capaz de absorver. Tal separação é uma propriedade do material com o qual o dispositivo é construído, dado pelo chamado gap de energia. Dessa forma, a célula solar está limitada a absorver fótons com energia maior ou igual ao gap de energia do semicondutor. O que limita a eficiência de geração de corrente elétrica pelo dispositivo, pois boa parte do espectro de emissão solar (composto por fótons com energias menores que o gap) não é absorvido e convertido em corrente.
Para aumentar a eficiência de geração de corrente elétrica, mecanismos para absorver os fótons solares com energias inferiores ao gap de energia da junção p-i-n são necessários. Dentre eles, a inclusão de estados ou bandas no meio do gap do semicondutor – as chamadas bandas intermediárias. A figura 1(b) mostra a inserção de um material diferente do semicondutor original no meio da região intrínseca da junção p-i-n. Se o novo material tiver um gap de energia menor que o da junção, temos a formação de um poço quântico de potencial no meio da célula solar. Os poços quânticos possuem estados ligados, os quais podem ser utilizados como a banda intermediária no processo de absorção de luz.
A figura 2 mostra um esquema das transições possíveis em células solares simples (formadas apenas pela junção p-i-n, painel da esquerda) e em células solares com banda intermediária (painel da direita). Para o último caso, além dos fótons com energias maiores ou igual a energia de separação entre a BV e a BC, fótons menos energéticos poderiam ser absorvidos, levando à excitação de elétrons da banda de valência à banda intermediária e da banda intermediária até a banda de condução.
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| Figura 2: Esquema do processo de absorção óptica em (painel da esquerda) células solares comuns e (painel da direita) em células solares de banda intermediária. Nas células solares simples, observa-se apenas a transição a partir da absorção de fótons com energia maior ou igual que a separação entre a BC e a BV. Já para a as células solares de banda intermediária, além da transição entre BV e BC, temos a transição mediada pela banda intermediária (BI), a qual requer fótons menos energéticos. |
2. Simulação de células solares
Os processos que determinam o funcionamento de células solares são de natureza quântica, baseados na interação da luz com a matéria. Nesse sentido, devemos resolver a equação de Schrödinger (equação 1) para o potencial eletrônico que define a estrutura a ser simulada.
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(1) |
onde H é o Hamiltoniano determinado pelos operadores de energia cinética e potencial para todas as partículas envolvidas no sistema, ψ é a função de onda eletrônica, i é o número complexo puro e h é a constante de Planck. A solução dessa equação é relativamente complexa, o que pode mascarar o entendimento sobre o funcionamento das células.
São vários os parâmetros que definem a função de onda do sistema e, consequentemente, a absorção óptica das células solares, dentre eles:
| Característica | Influência esperada |
|---|---|
| Material da junção p-i-n | Energia base para absorção de fótons |
| Material da camada do poço quântico | Energia dos fótons que excitam elétrons na banda intermediária, definindo a profundidade do poço quântico |
| Dopagem dos contatos | Deflexão da região intrínseca |
| Largura da camada do poço quântico | Energia dos fótons que excitam elétrons na banda intermediária, definindo a largura do poço quântico |
Tecnicamente, para cada característica escolhida a equação de Schrödinger deve ser resolvida, a absorção calculada e comparada com o espectro solar. Esse é um procedimento complexo e deve ser feito com bastante cuidado.
Para facilitar o entendimento da influência de tais parâmetros na absorção da célula solar de banda intermediária, propomos a utilização de uma simulação computacional que resolve a equação de Schrodinger. A partir da simulação, acreditamos ser possível entender a dependência de cada parâmetro na resposta da célula solar.
3. Simulador
A figura 3 mostra a interface gráfica do simulador de propriedades óticas de células solares de banda intermediária. Como podemos notar, no painel esquerdo do software temos os controles gerais, enquanto que no painel direito temos os gráficos resultantes da simulação.
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| Figura 3: Visão geral da interface gráfica do software responsável por simular a resposta de células solares de banda intermediária. |
3.1. Definindo Estrutura
A simulação foi programada para que o usuário tenha a opção de utilizar uma configuração de parâmetros para a célula solar de banda intermediária pré-determinada. Para tanto, basta o usuário clicar no botão , no canto superior esquerdo da interface gráfica. Ao selecionar tal opção, será criado um perfil de potencial formado por um poço de GaInAs, cuja concentração de Gálio será 47% para uma concentração de 53% de Índio. O material da junção p-i-n será o AlGaAs, com uma concentração de 60% de Alumínio e uma concentração de 40% de Gálio.
É importante notar que as concentrações de cada elemento nos materiais definem o gap de energia desses materiais e o desalinhamento entre os gaps quando colocamos esses materiais em contato gera o perfil do tipo poço que iremos utilizar na célula solar. A figura 4 mostra em detalhes a escolha pela estrutura pré-determinada.
Outros dois fatores importantes para a geometria da célula solar e consequentemente para a absorção óptica, são a largura da camada que forma o poço quântico e a largura da região intrínseca da junção p-i-n. A largura do poço quântico define a energia do(s) estado(s) ligados no poço quântico, os quais serão utilizados como bandas intermediárias. Já a largura da região intrínseca determina a região na qual haverá o campo elétrico responsável por dar energia cinética aos elétrons excitados e, consequentemente, gerar corrente elétrica. No simulador (figura 4), podemos controlar todos esses parâmetros, ou seja, controlamos a largura do poço quântico, a largura da região intrínseca e também a intensidade do campo elétrico.
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| Figura 4: Detalhe da escolha de materiais para a simulação. |
Outra opção que o simulador oferece é a de ajustar parâmetros, na qual é permitido ao usuário ajustar todos os parâmetros que controlam o perfil de potencial da célula solar de banda intermediária. Para facilitar a comparação com a célula padrão, continuamos a utilizar as ligas GaInAs (como material do poço quântico) e AlGaAs (como material da junção – também chamada de barreira). No entanto, é possível controlar as concentrações de Gálio e Alumínio e verificar sua influência no perfil de potencial da estrutura.
Após selecionar os valores desejados para os diversos parâmetros, basta que o usuário selecione o botão “Gerar heteroestrutura” para que no primeiro quadro do lado direito da aplicação, seja mostrado o gráfico do perfil de potencial. Logo abaixo do botão “Gerar heteroestrutura”, o usuário irá ver informações sobre a profundidade do poço tanto na banda de valência (BV) quanto na banda de condução (BC), bem como o gap de energia do poço quântico.
3.2. Plotando o Perfil de Potencial
Uma vez definida a estrutura, o usuário poderá utilizar a opção “Plotar Potencial”, conforme mostra a figura 5. Ao selecionar plotar, na parte superior do painel da direita da interface será mostrado um gráfico com o perfil de potencial, contendo as bandas de valência (parte inferior) e de condução (parte superior). O usuário pode alterar os parâmetros para verificar a influência de cada um deles no perfil de potencial.
Caso o gráfico não apresente o perfil de potencial como um todo, o usuário poderá utilizar as ferramentas de zoom e de rolagem para o ajustar conforme sua necessidade. Adicionalmente o usuário poderá salvar o perfil de potencial como uma imagem para referência posterior.
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| Figura 5: Detalhe da interface gráfica mostrando os botões para plotar potencial e calcular os estados |
3.3. Calculando as autofunções e autoenergias
Uma vez definido o perfil de potencial, podemos partir para a solução da equação de Schrodinger para esse perfil e obter as autofunções e suas autoenergias. Para tanto, basta clicar no botão “Calcular Estados”, conforme mostra a figura 5.
Nesse momento, a solução numérica da equação de Schrödinger usando um método chamado Fourier Grid Hamiltonian será realizada, a qual retorna várias funções de onda e suas respectivas energias. Apenas os dois estados de menor energia tanto na banda de valência quanto na banda de condução serão mostrados juntamente ao potencial. As energias desses estados e a diferença de energia entre eles também serão impressas na tela, logo abaixo os botões de “Plotar Potencial” e “Calcular Estados”.
A quantidade de estados mostrados no gráfico pode ser facilmente ajustada usando os botões “+” e “-” na interface gráfica (figura 5).
3.4. Calculando a absorção óptica
Uma quantidade fundamental para verificar o funcionamento de uma célula solar é sua absorção óptica. Essa característica indica a energia e a eficiência com a qual a célula irá absorver fótons, excitando elétrons na banda de valência que podem ser arrastados pelo campo elétrico intrínseco gerando corrente. Dessa forma, a absorção nos indica de modo bastante importante o funcionamento da célula solar e sua sensibilidade à fótons com energias específicas.
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| Figura 6: Detalhe da interface gráfica mostrando a absorção óptica. |
A absorção óptica mede a interação entre os estados na banda de valência e os estados na banda de condução, por meio de suas funções de onda. Caso não houvesse o poço quântico, esperaríamos observar absorção apenas de fótons com energias superiores ao gap de energia da junção p-i-n. A inclusão do poço quântico gera estados adicionais que podem levar a novos canais de absorção de fótons.
Na interface gráfica, para calcularmos a absorção basta clicar no botão “Absorção”, conforme mostra a figura 6. Esse cálculo é um pouco mais demorado que os anteriores e, conforme mostra a interface gráfica, pode levar alguns segundos dependendo do computador onde o software está sendo executado. Ao finalizar a execução, o gráfico da absorção óptica em função da energia do fóton incidente será mostrado na parte central do painel da direita da interface.
No gráfico da absorção óptica, são adicionalmente mostradas duas linhas verticais indicando a energia referente ao gap de energia do material da junção p-i-n (gap da barreira – em roxo) e referente ao gap de energia do material do poço quântico (gap do poço – em verde). Esperamos que o dispositivo, na ausência dos estados intermediários, absorva somente fótons com energias superiores ao gap de energia da junção p-i-n. Contudo, com a inclusão do poço quântico, podemos observar a absorção de fótons com energias inferiores ao gap da junção p-i-n, associados aos estados ligados no poço quântico. De modo geral, esse é um indicativo do aumento de eficiência da célula solar, devido à banda intermediária.
3.5. Calculando o espectro de radiação solar
O importante para as células solares é que seu máximo de absorção ocorra para fótons com energias semelhantes à energia dos fótons solares. Quanto mais a região de absorção da célula se assemelha ao espectro de emissão solar, mais eficiente esperamos que a célula solar seja.
Para termos uma medida de comparação, o simulador também calcula o espectro de radiação solar baseado no espectro de emissão de corpo negro, o qual é diretamente definido pela temperatura do corpo. Conforme mostra a figura 7, basta selecionar o valor da temperatura e clicar no botão “Mostrar Espectro de Corpo Negro”. Podemos, com isso, comparar o espectro de absorção óptica com o espectro de emissão solar e ajustar os parâmetros para que os fótons absorvidos pela célula solar tenham energias nos limites de energia de fótons emitidos pelo sol. Como podemos ver na figura 7, é possível estabelecer uma relação visual entre o espectro de absorção e o de emissão. No caso específico dos parâmetros escolhidos no exemplo mostrado, a absorção adicional devida à inclusão do poço quântico se dá para fótons com energias onde o pico de emissão solar é máximo.
Para o espectro solar, de modo específico, a interface gráfica apresenta um botão “Sol” que define a temperatura da simulação de acordo com a temperatura solar.
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| Figura 7: Detalhe mostrando o cálculo do espectro de emissão solar. |
3.6. Finalizando a simulação
Adicionalmente, a interface gráfica apresenta mais três botões de controle: “Ajuda”, “Reset” e “Sair”, conforme mostra a figura 7. O botão de ajuda encaminha o usuário para o roteiro de utilização da interface gráfica. Já o botão “Reset” retorna todos os parâmetros para o estado inicial da simulação e, como esperado, o botão “Sair” finaliza a simulação.