Introdução

À medida que o voo espacial comercial continua crescendo, as espaçonaves precisam de cada vez mais energia elétrica. A fotovoltaica espacial serve como a principal fonte de energia para a maioria das espaçonaves, então a escolha da tecnologia de célula solar molda diretamente o sucesso da missão, sua relação custo-benefício e sua competitividade no mercado.

Atualmente, existem três direções tecnológicas principais: arsenieto de gálio (GaAs), heterojunção tipo p (HJT) e células tandem HJT tipo p/perovskita. Olhando para onde a tecnologia está indo e seu potencial de longo prazo, e analisando os prós e contras principais de cada rota, o GaAs ainda sai na frente. Apesar dos desafios de custo, seu desempenho geral incomparável, confiabilidade comprovada em ambientes extremos e espaço claro e considerável para redução de custos fazem do GaAs a melhor escolha para missões espaciais comerciais de alto valor e alta confiabilidade, tanto hoje quanto nos próximos 3 a 5 anos.

As Vantagens das Células de GaAs de Tripla Junção

Alta eficiência

O bandgap do GaAs (1,42 eV) está exatamente na faixa teoricamente ideal. Além disso, as células multi-junção empilham camadas de GaInP, GaAs e Ge que absorvem fótons de alta, média e baixa energia, respectivamente, o que amplia bastante o espectro que elas podem utilizar. As mais recentes células de GaAs de tripla junção para fotovoltaica espacial agora atingem eficiências de conversão de potência acima de 30%.

Alta confiabilidade

Forte resistência à radiação e excelente estabilidade em altas temperaturas tornam essas células perfeitas para as necessidades centrais de missões de longa duração e alto desempenho. A vantagem de desempenho é suficiente para compensar o custo mais alto.

Tecnologia madura com um longo histórico em órbita

Em 1965, o satélite Venera 3 da antiga União Soviética foi o primeiro a usar células de GaAs. Em 1995, o primeiro satélite de comunicações comercial MEASAT usou GaAs de junção única como sua principal unidade de energia, e o projeto do painel solar construiu um banco de dados completo provando que as células de GaAs poderiam atender às necessidades de energia de todo o ciclo de vida de uma espaçonave. A partir de então, as células de GaAs substituíram gradualmente as células mais antigas como a unidade básica de geração de energia em espaçonaves, evoluindo passo a passo de projetos de junção única para multi-junção.

Por que projetá-la como uma estrutura de três junções?

Qualquer material semicondutor só pode absorver eficientemente fótons com energia maior que seu bandgap. Fótons com energia muito baixa não podem ser usados, enquanto fótons com energia muito alta perdem o excesso como calor (perda por termalização). O bandgap de uma célula de junção única não pode corresponder perfeitamente ao espectro solar. Tomando como exemplo uma célula de silício de junção única: ela pode absorver fótons na faixa de 0,3-1,1 μm (300 nm-1100 nm), trabalhando principalmente na banda de 0,38 μm-0,7 μm. É por isso que as células de silício de junção única têm um teto de eficiência limitado, com um limite teórico de cerca de 29,7%.

Uma célula de três junções divide o trabalho entre três subcélulas, fatiando o espectro solar em três segmentos para que cada subcélula opere em sua banda mais adequada. Isso reduz drasticamente tanto as perdas por termalização quanto as perdas por incompatibilidade espectral. Em teoria, as células multi-junção podem atingir eficiência próxima a 50%, muito maior do que uma estrutura de junção única pode oferecer.

A Estrutura de uma Célula de GaAs de Tripla Junção

A célula de GaAs de tripla junção é dividida em três partes: a célula superior, a célula intermediária e a célula inferior. Cada parte usa diferentes materiais principais (região de base) e desempenha um papel diferente.

Célula superior

Geralmente AlGaInP / GaInP, com bandgap em torno de 1,8-1,9 eV. Ela absorve principalmente fótons de comprimento de onda curto (ultravioleta, luz azul). A célula superior absorve fótons de alta energia e reduz as perdas por termalização.

Célula intermediária

Geralmente InGaAs ou GaAs, com bandgap em torno de 1,42 eV. Ela absorve principalmente fótons de comprimento de onda médio e longo (luz verde, amarela, vermelha). A célula intermediária lida com os comprimentos de onda médio a longo e contribui com a maior parte da fotocorrente.

Célula inferior

Geralmente Ge, com bandgap em torno de 0,67 eV. Ela absorve principalmente fótons de comprimento de onda longo (infravermelho próximo). A célula inferior captura a luz infravermelha altamente penetrante.

Agora vamos ver o que cada camada faz.

① Camada de contato

Situada logo acima da camada Cap mais externa, esta é a camada semicondutora que o eletrodo metálico toca diretamente. Geralmente é n⁺⁺-GaAs ou n⁺⁺-GaInP fortemente dopada. Sua principal função é reduzir a resistência de contato — a dopagem pesada ajuda a formar um bom contato ôhmico com o eletrodo metálico e reduz as perdas elétricas. Ela também protege a região ativa, isolando o eletrodo metálico da delicada região ativa abaixo (camada janela, emissor, etc.) para evitar danos durante o processo.

② Camada Cap

Localizada acima da camada janela e abaixo do revestimento antirreflexo, situada entre o filme antirreflexo e a camada de contato. Geralmente é GaAs, embora alguns projetos usem óxidos condutores transparentes (TCO), como ITO. Seu papel principal é auxiliar na coleta de corrente como um "eletrodo auxiliar", trabalhando com a camada de contato para coletar e conduzir a corrente lateralmente — especialmente útil para projetos de grade de linhas finas. Sua espessura e índice de refração também podem ser ajustados para participar do design óptico e fornecer um efeito antirreflexo auxiliar.

③ Camada Janela

Localizada acima do emissor, geralmente feita de AlInP, AlGaInP ou AlGaAs. Sua principal função é reduzir a recombinação superficial: a natureza de banda larga do material significa que ele absorve pouca luz, e forma uma junção alta-baixa que empurra os portadores fotogerados (elétrons) para o interior do emissor, reduzindo as perdas por recombinação em defeitos superficiais. Também atua como um "guarda-chuva", protegendo a região da junção contra danos durante processos posteriores, como evaporação de eletrodos.

④ Emissor

Localizado abaixo da camada janela e acima da base, formando uma junção PN com a base. Geralmente é GaInP ou GaAs tipo N. Sua principal função é atuar como "eletrodo positivo", coletando elétrons fotogerados e conduzindo-os ao circuito externo. Também equilibra a absorção de luz com a coleta — através de ajuste cuidadoso da espessura e concentração de dopagem, é espesso o suficiente para absorver luz de comprimento de onda curto, mas não tão espesso que os portadores se recombinem durante a difusão.

⑤ Base

Localizada abaixo do emissor e acima da camada BSF, este é o corpo principal da junção PN. Geralmente é GaInP ou AlGaInP tipo p. Como a principal região de absorção de luz, é o "cavalo de batalha" da célula superior, absorvendo a maior parte da luz de comprimento de onda curto (azul e ultravioleta), gerando pares elétron-buraco fotogerados e transportando eficientemente os buracos fotogerados para a camada BSF traseira ou eletrodo.

⑥ Camada BSF (Campo Superficial Traseiro)

Localizada abaixo da base e acima da junção túnel, formando uma junção alta-baixa com a base no lado traseiro. O material é geralmente um p-AlGaInP, AlGaAs de banda larga, entre outros. Sua principal função é suprimir a recombinação reversa de portadores: a camada BSF cria uma "barreira" na parte traseira da base que impede que os buracos foto-gerados se recombinem enquanto se difundem em direção ao eletrodo traseiro, aumentando assim a tensão e a eficiência.

⑦ Refletor

Localizada entre a célula superior e a célula intermediária, ou entre a célula intermediária e a célula inferior. É um Refletor de Bragg Distribuído (DBR) cultivado a partir de materiais alternados de alto e baixo índice de refração, como AlAs/AlGaAs ou AlInP/AlGaInP. Sua principal função é refletir de volta a luz de comprimento de onda médio a longo que as células superior e intermediária não absorveram e está prestes a escapar, permitindo uma segunda passagem de absorção que eleva a corrente geral e a eficiência.

⑧ Junção Túnel

Localizada entre as subcélulas, feita de camadas finas altamente dopadas (como n++GaAs / p++GaAs). Como um "túnel quântico", permite que os portadores foto-gerados passem eficientemente, mantendo cada subcélula eletricamente independente.

A estrutura da célula intermediária é semelhante à da célula superior, apenas com materiais diferentes, então não a repetiremos aqui. Abaixo, abordamos brevemente o que é diferente na célula inferior.

⑨ Camada Tampão

Intercalada entre a célula inferior e a célula intermediária, resolve o problema de incompatibilidade de rede. Quando o material da célula inferior (como InGaAs) não corresponde à constante de rede do material superior (como GaAs), a camada tampão usa uma estrutura "graduada" ou "rede metamórfica" para liberar gradualmente o estresse e "interceptar" discordâncias de propagação, mantendo-as fora da região ativa da célula inferior e, assim, melhorando o desempenho da célula.

⑩ Base da Célula Inferior

Localizada no lado "espesso" da junção PN da célula inferior. Geralmente é um substrato de Ge tipo p. Sua principal função é absorver luz infravermelha de comprimento de onda longo, servindo como o principal gerador de portadores foto-gerados na célula inferior.

Algumas Notas

Nas marcações de tipo P/N, N++/P++ e similares indicam dopagem leve versus pesada. A estrutura da célula GaAs de tripla junção ilustrada neste artigo omite a estrutura do eletrodo, a estrutura da camada antirreflexo e detalhes semelhantes por simplicidade.

Referências:

• Célula solar de tripla junção com refletor e seu método de fabricação - 2022-0804

• Célula solar de tripla junção InGaP/InGaAs/Ge com estrutura de antirreflexo micro-nano e seu método de fabricação - 2018-0425

• Um método para uma célula solar de tripla junção e a célula solar de tripla junção - 2020-11-13

Visão da Ooitech

A Ooitech acredita: as células GaAs de tripla junção, ao dividir o espectro solar em três subcélulas, oferecem a alta eficiência e a confiabilidade comprovada que as tornam a principal escolha para as missões espaciais de alto valor atuais.