External quantum efficiency above 100% in photovoltaic cells due to the technique raising efficiencies for all kinds of solar cells

Resumo Técnico: Eficiência Quântica Externa Acima de 100% em Células Fotovoltaicas via Técnica de Módulo em V

Definição do Problema
A teoria fotovoltaica (PV) tradicional sugere que a eficiência quântica externa (EQE) de uma célula solar não pode exceder 100%, pois um fóton absorvido tipicamente gera um único par elétron-lacuna. Embora a Multiplicação de Par Elétron-Lacuna (EHPM) tenha sido observada em células de pontos quânticos e orgânicas, sua ocorrência em células de silício policristalino padrão permanece um objeto de restrição teórica. Além disso, módulos solares planares convencionais sofrem perdas ópticas devido à reflexão e à dissipação do excesso de energia fotônica como calor, o que gera radiação infravermelha (IR) que é tipicamente perdida. O artigo aborda o desafio de superar esses limites de eficiência e investigar os mecanismos físicos por trás de um fenômeno previamente observado onde estruturas de módulo em V (VSM) aumentam significativamente a eficiência de conversão de energia ($\eta$).

Metodologia
O estudo utilizou uma configuração de módulo em V (VSM) consistindo em duas células solares de silício policristalino de 1 cm² idênticas e comercialmente disponíveis ( $\eta$ inicial de 13,4%) posicionadas em um ângulo ($\alpha$) relativo uma à outra. Os pesquisadores investigaram sistematicamente a EQE dessas células usando um equipamento de medição de resposta espectral (Modelo CEP-25/CH). As medições foram conduzidas em quatro ângulos de abertura específicos: $20^\circ$, $30^\circ$, $40^\circ$ e $180^\circ$ (este último servindo como controle planar). O estudo envolveu a medição de células individuais, bem como de células conectadas em paralelo para garantir reprodutibilidade e consistência. O protocolo experimental incluiu etapas rigorosas de verificação para assegurar a confiabilidade dos dados, com erros de medição mantidos abaixo de 2%.

Principais Contribuições e Resultados
A principal contribuição deste trabalho é a observação experimental de valores de EQE superiores a 100% em células de silício policristalino padrão quando dispostas em uma configuração VSM.

• Resultos Quantitativos: Em um ângulo de abertura de $\alpha = 30^\circ$, o pico de EQE atingiu 1,4 (140%). Em $\alpha = 20^\circ$, o pico de EQE saltou para 1,8 (180%). Em contraste, a configuração planar ($\alpha = 180^\circ$) exibiu um pico de EQE de aproximadamente 0,8.
• Reprodutibilidade: Os resultados foram consistentes tanto em células individuais quanto em conexões paralelas, e o fenômeno foi facilmente reproduzível.
• Análise de Mecanismo: Os autores atribuem os ganhos de eficiência a dois fatores principais:
  1. Aprisionamento Óptico: A geometria em V cria múltiplas reflexões internas, reduzindo significamente as perdas por reflexão e aumentando a absorção de fótons em comparação com células planares.
  2. Reciclagem de Infravermelho e Excitação Sub-bandgap: O estudo propõe que o VSM aprisiona não apenas a luz solar incidente, mas também os fótons IR emitidos pelas próprias células (radiação térmica). Esses fótons IR aprisionados são reabsorvidos via níveis de energia de defeitos dentro do bandgap (especificamente em contornos de grão no silício policristalino). Este processo, denominado excitação sub-bandgap, gera portadores fotoexcitados adicionais, teoricamente permitindo eventos de EHPM em células de silício.

Significância e Alegações
O artigo alega que a técnica VSM oferece um novo caminho para o estudo da física fotovoltaica ao desafiar conceitos tradicionais sobre limites de eficiência. Os autores postulam que o efeito "surpreendente" do VSM, caracterizado por EQE > 100%, é explicável através do aprisionamento de fótons IR emitidos (referidos no texto como "energia escura"), que são então convertidos em portadores extras via absorção mediada por defeitos.

O estudo conclui que este mecanismo fornece novas evidências para a hipótesagem de que a luz não-infravermelha incidente em uma célula VSM pode levar à emissão de IR, que subsequentemente cria portadores extras na célula oposta. Adicionalmente, os autores sugerem que a técnica VSM poderia ser utilizada para desenvolver fotodetectores especificamente para luz infravermelha e ultravioleta. O trabalho afirma que estas descobertas apoiam o ponto de vista de que a fotocorrente IR em dispositivos semicondutores pode ser gerada através de excitação sub-bandgap, potencialmente oferecendo novos insights para a interpretação de contatos ôhmicos e diodos de tunelamento.