Estudo de células fotovoltaicas (solares) utilizando como elemento construtivo mosfet com geometria de porta não convencional

Abstract

Segundo estudo realizado pela International Energy Agency (IEA), o uso de energia solar poderá chegar a 30% em 2022 em países com maior capacidade instalada de geração, como a China, Alemanha, Japão e EUA. No Brasil, também é crescente o volume de investimentos no ramo da energia solar. Em junho de 2021, foram anunciados investimentos privados, que somados geram um total de 4,17 bilhões de reais no estado da Paraíba para a construção de uma fábrica de módulos fotovoltaicos e um complexo solar com capacidade de 1,6GW de capacidade instalada. Tendo em vista o grande espaço que a energia solar está tomando no cenário mundial, grandes têm sido os esforços acadêmicos e das empresas relacionadas a fim de melhorar o desempenho de uma célula solar. Neste estudo, serão utilizadas simulações numéricas tridimensionais a fim de obter as figuras de mérito, como rendimento e fator de forma, de células solares utilizando como elemento construtivo dois tipos de MOSFETs, sendo um com geometria de porta convencional (retangular) e outro com formato de porta não convencional, mais especificamente do tipo Fish, com o intuito de analisar novas propostas de células básicas construtivas para a implementação de células solares, em busca de se obter um melhor desempenho elétrico quando comparado àquele das células solares convencionais. Simulações numéricas tridimensionais foram realizadas com dois tipos de elementos básicos para a implementação de células solares, sendo que um deles é o MOSFET, canal N, do tipo depleção e com geometria de porta retangular convencional e o outro é semelhante a esse, porém com formato de porta do tipo Fish. Os principais resultados alcançados mostraram que o MOSFET, canal N, do tipo depleção com formato de porta do tipo Fish apresentou um rendimento de aproximadamente 54% (em porcentagem) maior do que aquele apresentado pela célula solar implementada com o MOSFET, canal N, do tipo depleção e com geometria de porta retangular convencional, considerando as diversas condições de polarização externa consideradas por esse estudo. Além disso, os Fatores de Forma de ambos os elementos básicos formados por esses tipos de MOSFETs apresentaram praticamente os mesmos valores (variação máxima de 1,66%, sendo que o com o formato de porta do tipo Fish alcançou o maior valor de Fator de Forma). Dessa forma, podemos concluir que o MOSFET, canal N, do tipo depleção, com formato de porta do tipo Fish pode ser considerado como alternativa construtiva para aumentar o desempenho elétrico das células solares baseadas em transistores de efeito de campo

According to a study carried out by the International Energy Agency (IEA), the use of solar energy could reach 30% in 2022 in countries with greater installed generation capacity, such as China, Germany, Japan, and USA. In Brazil, the volume of investments in the solar energy sector is also increasing. For instance, in June 2021 private investments were announced, which together generated a total of 4.17 billion Reais in the state of Paraíba for the construction of a photovoltaic module factory and a solar energy complex with an installed capacity of 1.6GW. In view of the large space that solar energy is taking on the world, great efforts have been made by academics and companies in order to improve the electrical performance of a solar cell. In this study, three-dimensional numerical simulations will be used in order to obtain figures of merit, such as yield (efficiency) and form factor, of solar cells using as constructive elements two types of MOSFETs, one with conventional (rectangular) gate geometry and the other with an unconventional gate shape, more specifically the Fish type, in order to analyze new basic constructive blocks for building solar cells, aiming at a better electrical performance when compared to those found in conventional solar cells. Three-dimensional numerical simulations were performed with two types of basic elements for building the solar cells, one of them is the MOSFET, N-channel, depletion type with a conventional rectangular gate geometry and the other is similar to this one, but with a Fish-type gate geometry. The main results achieved showed that the MOSFET, N-channel, depletion type with Fish-type gate geometry has presented an efficiency of approximately 54% (in percentage) higher than that presented by the solar cell implemented with the conventional rectangular MOSFET, considering the different conditions of external gate bias evaluated in this research. Besides that, the Form Factors of both basic elements built with these types of MOSFETs presented practically the same values (maximum variation of 1,66%, with the Fish-type MOSFET reaching the highest value of Form Factor). Thus, we can conclude that the MOSFET, N-channel, depletion type, with Fish-type gate geometry can be considered as a constructive alternative to increase the electrical performance of solar cells based on field effect transistors