Painéis fotovoltaicos de energia solar

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Eficiência solar

Eficiência solar

Definimos a eficiência das células fotovoltaicas para a proporção de energia solar que é convertida em energia elétrica através de energia fotovoltaica.

A eficiência das células fotovoltaicas é um dos elementos que determinam a produção de uma instalação de energia solar fotovoltaica. Os outros fatores que determinam o desempenho de uma usina solar são latitude e clima.

O valor de eficiência de conversão de uma célula fotovoltaica depende de vários fatores. Quando nos referimos à eficiência de conversão, referimo-nos implicitamente à eficiência termodinâmica, à eficiência de separação do transportador de carga, à eficiência de refletância e aos valores de eficiência de condução. Esses parâmetros são difíceis de medir diretamente, então outros parâmetros são medidos, incluindo a eficiência quântica, a relação de tensão de circuito aberto e o fator de preenchimento.

Métodos técnicos para melhorar a eficiência solar

Resfriamento radiativo

Por grau centígrado de temperatura, diminui a eficiência solares células solares fotovoltaicos em cerca de 0,45% de aumento. Para evitar a perda de eficiência devido ao aquecimento da energia solar, pode ser aplicada uma camada de vidro de sílica visivelmente transparente a um painel solar fotovoltaico. A camada de vidro de sílica atua como um corpo preto térmico que emite calor na forma de radiação infravermelha para o espaço. Com esta ação, você pode baixar a temperatura da célula fotovoltaica até 13 graus Celsius.

Promovendo a dispersão da luz no espectro visível

Ao revestir a superfície receptora de luz da célula com pólos metálicos de tamanho nanométrico, a eficiência da célula pode ser substancialmente aumentada, uma vez que a radiação solar é refletida nesses pólos em um ângulo oblíquo em relação à célula. Essa mudança de direção causa um aumento no comprimento do caminho percorrido pela luz através da célula solar. Consequentemente, o aumento no caminho aumenta o número de fótons absorvidos pela célula e também a quantidade de corrente contínua gerada.

Os principais materiais utilizados para nano-studs são prata, ouro e alumínio, para citar alguns. O alumínio é capaz de aumentar a eficiência da célula até 22% (em condições de laboratório). O alumínio, por outro lado, absorve apenas a radiação ultravioleta e reflete tanto a luz visível quanto a infravermelha, de modo que a perda de energia é minimizada nessa frente.

No entanto, ouro e prata não são muito eficientes, pois absorvem grande parte da luz no espectro visível, que contém a maior parte da energia presente na luz do sol, reduzindo a quantidade de radiação solar que atinge o fotocélula

Escolha o condutor transparente ideal

O lado iluminado de alguns tipos de células solares, os filmes finos, tem um filme condutor transparente que permite que a luz entre no material ativo e colete os portadores de carga gerados.

Em termos gerais, filmes com alta transmitância e alta condutância elétrica, como índio e óxido de estanho, polímeros condutores ou redes condutoras de nanofios, são utilizados para esse fim. Existe um compromisso entre alta transmitância e condutância elétrica, de modo que a densidade ideal dos nanofios condutores ou a estrutura da rede condutora deve ser escolhida para alcançar alta eficiência.

Revestimentos e texturas anti-reflexo

Revestimentos antirreflexo podem resultar em interferência mais destrutiva das ondas de luz incidentes no sol. Portanto, toda a luz do sol seria transmitida ao sistema fotovoltaico.

Além disso, outra técnica usada para reduzir a reflexão é a texturização, na qual a superfície de uma célula solar é alterada de forma que a luz refletida atinja a superfície novamente. Essas superfícies podem ser criadas por gravura ou por litografia. Adicionar uma superfície traseira plana além de texturizar a superfície frontal ajuda a prender a luz dentro da célula para um caminho ótico mais longo.

Materiais de película fina

Em termos de baixo custo e adaptabilidade a estruturas e estruturas existentes na tecnologia, os materiais de película fina são uma ótima opção para células fotovoltaicas.

No entanto, porque os materiais são tão finos, eles não têm a absorção óptica que as células solares têm do material a granel. Enquanto tentativas de corrigir este problema foram tentadas, a coisa mais importante é o foco na recombinação da superfície da película fina.

Como esse é o processo dominante de recombinação de células solares de película fina em escala nanométrica, é crucial para sua eficiência solar. Adicionar uma fina camada passiva de dióxido de silício pode reduzir a recombinação.

Passivação da superfície traseira

Embora muitas melhorias tenham sido feitas na frente das células fotovoltaicas para a produção em massa de energia solar, a superfície traseira de alumínio retarda as melhorias de eficiência.

A eficiência de muitas células solares beneficiou-se com a criação das chamadas células emissoras passivas e passivas. A deposição química de uma pilha de camadas de passivação dielétrica da superfície posterior que também é feita de uma fina película de sílica ou óxido de alumínio coberta com um filme de nitreto de silício ajuda a melhorar a eficiência das células solares de silício em mais de 1%

Isso ajuda a aumentar a eficiência solar da célula para o material comercial de wafer Cz-Si em 20,2% e a eficiência da célula para quase mono-Si em um registro de 19,9%.

Fatores que afetam a eficiência de conversão de energia

Para analisar os fatores que influenciam a eficiência solar, podemos nos referir a fatores energéticos que afetam a eficiência de conversão de energia que William Shockley e Hans Queisser apresentaram em um artigo histórico em 1961.

Fator de enchimento

Outro termo definidor no comportamento geral de uma célula solar é o fator de preenchimento. Este fator é uma medida da qualidade de uma célula solar. Esta é a potência disponível no ponto de potência máxima dividida pela tensão de circuito aberto e a corrente de curto-circuito.

O fator de preenchimento é diretamente afetado pelos valores das séries de células, pelos resistores de bypass e pelas perdas de diodo. Aumentar a resistência do shunt e diminuir a resistência em série leva a um fator de preenchimento mais alto, o que resulta em maior eficiência e aproxima a potência de saída da célula de seu máximo teórico.

Os fatores típicos de preenchimento variam de 50% a 82%. O fator de enchimento para uma célula fotovoltaica de silício normal é de 80%.

Limite de eficiência termodinâmica e limite de pilha infinita

Se alguém tem uma fonte de calor na temperatura Ts e um dissipador de calor na temperatura Tc, o valor teoricamente máximo possível para a razão de trabalho (ou energia elétrica) obtida do calor fornecido é de 1 Tc / Ts, dado por um motor térmico de Carnot.

Se tomarmos 6000 Kelvin para a temperatura do Sol e 300 Kelvin para as condições ambientais na Terra, isso chega a 95%. Em 1981, Alexis de Vos e Herman Pauwels mostraram que isso pode ser conseguido com uma pilha de um número infinito de células com intervalos de faixa variando do infinito (as primeiras células encontradas pelos fótons entrantes) até zero, com uma voltagem em cada célula muito próxima da voltagem de circuito aberto, igual a 95% da faixa de bandas daquela célula, e com 6000 kelvin de radiação de corpos negros vindo de todas as direções.

Ponto de máxima potência

Uma célula solar pode operar em uma ampla gama de tensões (V) e intensidades de corrente (I). Ao aumentar a carga resistiva em uma célula irradiada continuamente de zero (um curto-circuito) para um valor muito alto (um circuito aberto), o ponto de potência máxima pode ser determinado, o ponto que maximiza V × I; isto é, a carga pela qual a célula pode fornecer a máxima potência elétrica naquele nível de irradiação.

O ponto de máxima potência de um fotovoltaico varia com a iluminação incidente. Por exemplo, o acúmulo de poeira nos painéis fotovoltaicos reduz o ponto de potência máxima. Para grande o suficiente para justificar os sistemas de despesas adicionais, um ponto de potência máxima rastreador controla a potência instantânea continuamente medindo a voltagem e corrente (e, portanto, a transferência de energia), e utiliza esta informação para ajustar dinamicamente a carga para que a potência máxima seja sempre transferida, independentemente da variação de iluminação.

Máxima eficiência

No entanto, os sistemas fotovoltaicos normais têm apenas uma junção pn e, portanto, estão sujeitos a um limite de eficiência menor, chamado "eficiência máxima" por Shockley e Queisser. Fótons com uma energia abaixo do intervalo de banda do material absorvente não podem gerar um par de furos de elétrons, de modo que sua energia não se torne útil e só gere calor se for absorvida. Para fótons com uma energia acima da faixa de energia, apenas uma fração da energia acima da banda pode ser convertida em saída útil. Quando um fóton de energia mais alta é absorvido, o excesso de energia na faixa é convertido em energia cinética da combinação de portadores. O excesso de energia cinética é convertido em calor pelo fonon. Interações como a energia cinética dos portadores diminui na velocidade de equilíbrio. As células tradicionais de junção única com uma banda ótima para o espectro solar têm uma eficiência teórica máxima de 33,16%, o limite Shockley-Queisser.

Células solares com materiais absorventes de separação de banda múltipla melhoram a eficiência dividindo o espectro solar em depósitos menores, onde o limite de eficiência termodinâmica é maior para cada recipiente.

Eficiência quântica

Quando um fóton é absorvido por uma célula solar fotovoltaica, ele pode produzir um par de furos de elétrons. Um dos transportadores pode alcançar a junção pn e contribuir para a corrente produzida pela célula solar; Diz-se que esse portador é coletado. Ou, as operadoras recombinam sem uma contribuição líquida para a corrente celular.

Eficiência quântica refere-se à porcentagem de fótons que se tornam corrente elétrica (isto é, transportadores colhidos) quando a célula é operada sob condições de curto-circuito. A eficiência quântica "externa" de uma célula solar de silício inclui o efeito de perdas ópticas, como transmissão e reflexão.

Em particular, algumas medidas podem ser tomadas para reduzir essas perdas. As perdas de reflexão, que podem representar até 10% da energia total incidente, podem ser drasticamente reduzidas usando uma técnica chamada texturização, um método de captura de luz que modifica o caminho médio da luz.

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Última revisão: 8 de fevereiro de 2019

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