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Painéis fotovoltaicos de energia solar

Célula solar de película fina

Célula solar de película fina

Uma célula solar de filme fino é uma segunda geração de células solares que é feita depositando uma ou mais camadas finas ou filme fino (TF) de material fotovoltaico em um substrato, como vidro, plástico ou metal.

A espessura do filme varia de alguns nanômetros (nm) a dezenas de micrômetros (µm). O filme é muito mais fino que a tecnologia rival do filme fino, a célula solar convencional de silício cristalino de primeira geração (c-Si), que usa bolachas com até 200 µm de espessura. Isso permite que as células de filme fino sejam flexíveis e com menos peso. É utilizado na construção de sistemas fotovoltaicos integrados e como material de envidraçamento fotovoltaico semitransparente que pode ser laminado nas janelas. Outras aplicações comerciais usam painéis solares rígidos de película fina (colados entre dois painéis de vidro) em algumas das maiores usinas fotovoltaicas do mundo.

A tecnologia de filme fino sempre foi mais barata, mas menos eficiente que a tecnologia c-Si convencional. No entanto, melhorou significativamente ao longo dos anos. A eficiência da célula de laboratório para CdTe e CIGS agora ultrapassa 21%, superando o silício multicristalino, o material dominante atualmente usado na maioria dos sistemas solares fotovoltaicos. Testes de vida acelerada de módulos de filmes finos em condições de laboratório mediram uma degradação um pouco mais rápida em comparação com o PV convencional, enquanto geralmente se espera uma vida útil de 20 anos ou mais. Apesar dessas melhorias,

Outras tecnologias de filmes finos que ainda estão em um estágio inicial de pesquisa em andamento ou com disponibilidade comercial limitada são frequentemente classificadas como células fotovoltaicas emergentes ou de terceira geração e incluem orgânicas e sensibilizadas por corantes, além de pontos quânticos, sulfeto de cobre zinco, estanho, nanocristais, micromorfos e células solares de perovskita.

Tipos de células fotovoltaicas de película fina

Muitos dos materiais fotovoltaicos são fabricados com diferentes métodos de deposição em uma variedade de substratos. As células solares de película fina são geralmente classificadas de acordo com o material fotovoltaico utilizado. De acordo com esses critérios, são os seguintes tipos de células fotovoltaicas de película fina.

  • Silício amorfo (a-Se) e outros silicones de película fina (TF-Se)
  • Telúrio de cádmio (CdTe)
  • Cálcio indiano e cobre semenium (CIS ou CIGS)
  • Células solares sensíveis à cor (DSC) e outras células solares orgânicas.

Telúrio de cádmio

O uso de telureto de cádmio na produção de filmes finos é a mais avançada tecnologia de filmes finos. Aproximadamente metade da produção mundial de painéis fotovoltaicos e mais da metade do mercado de filmes finos estão nas mãos dessa tecnologia. A eficiência do telefone celular in vitro aumentou dramaticamente nos últimos anos e está alinhada com o filme fino CIGS e próxima à eficiência do silício multicristalino. O telureto de cádmio também possui o menor tempo de recuperação de energia de todas as tecnologias de produção em massa e, em situações desejáveis, pode ser tão curto quanto oito meses.

Embora as preocupações ambientais com a toxicidade do cádmio possam ser completamente sanadas com a reciclagem do cádmio no final de seu período, ainda existem dúvidas sobre a tecnologia e a opinião pública é cética. O uso de materiais escassos também pode ser um problema para a viabilidade econômica da tecnologia de filmes finos de cádmio.

Cálcio indiano e cobre semenium

Os possíveis compostos dos elementos do grupo XI, XIII, XVI da tabela fotovoltaica periódica são: cobre, prata, ouro, alumínio, gálio, índio, silício, selênio e telúrio. Uma célula fotovoltaica de selênio, gálio ou CIGS usa um adsorvente de selênio, gálio, índio e cobre; os outros tipos de gálio livre são abreviados como CEI.

Essa tecnologia é uma das três principais correntes da tecnologia de filmes finos, as outras duas sendo telureto de silício e cádmio amorfo, que possui uma eficiência laboratorial de 5% e uma participação de mercado de 5%.

Silício amorfo

O silício amorfo é uma forma múltipla de silício não cristalino e tem sido a mais avançada tecnologia de película fina até hoje. Embora as células fotovoltaicas CIS e CdTe tenham trabalhado com sucesso in vitro, a indústria ainda está se concentrando em células à base de silício de película fina.

Os produtos à base de silício são menos problemáticos que os produtos CIS e CdTe. Por exemplo, os problemas de toxicidade e umidade das células CdTe e a baixa produção de produtos CIS não surgem devido à complexidade dos materiais associados aos produtos. de silício. Além disso, não há objeções ao uso de silício padrão como resultado da resistência política ao uso de materiais não verdes na produção de energia solar. Os módulos de silício são divididos em três categorias:

  • Células fotovoltaicas de silício amorfo
  • Células fotovoltaicas em tandem multicristalinas
  • Filme fino de silício multicristalino em vidro

Eficiências da célula fotovoltaica de película fina

Melhorias incrementais na eficiência começaram com a invenção da primeira célula solar moderna de silício em 1954. Em 2010, essas melhorias constantes resultaram em módulos capazes de converter 12 a 18% da radiação solar em eletricidade. As melhorias de eficiência continuaram se acelerando nos anos desde 2010, como mostra a tabela em anexo.

Células feitas de materiais mais novos tendem a ser menos eficientes que o silício a granel, mas sua produção é mais barata. Sua eficiência quântica também é menor devido ao número reduzido de portadores de carga coletados por fóton incidente.

O desempenho e o potencial dos materiais de filmes finos são altos, atingindo uma eficiência celular de 12 a 20%; protótipos de eficiência de módulo de 7 a 13%; e módulos de produção na faixa de 9%. O protótipo de célula de filme fino com a melhor eficiência produz 20,4% (First Solar), comparável à melhor eficiência de protótipo de célula solar convencional da Panasonic, de 25,6%.

A fronteira solar alcançou um novo recorde de eficiência de células solares de filme fino de 22,3%, o maior fornecedor de energia solar cis do mundo. Em uma investigação conjunta com a Organização de Desenvolvimento de Nova Energia e Tecnologia Industrial (NEDO) do Japão, a Solar Frontier alcançou uma eficiência de conversão de 22,3% em uma célula de 0,5 cm 2 usando sua tecnologia CIS. Isso representa um aumento de 0,6 ponto percentual em relação ao recorde anterior do filme fino da indústria, de 21,7%.

Energia fotovoltaica emergente

Uma célula solar experimental à base de silício desenvolvida no Sandia National Laboratories

O Laboratório Nacional de Energia Renovável (NREL) classifica uma série de tecnologias de filmes finos como energia fotovoltaica emergente; a maioria ainda não foi aplicada comercialmente e ainda está em fase de pesquisa ou desenvolvimento. Muitos usam materiais orgânicos, freqüentemente compostos organometálicos, bem como substâncias inorgânicas. Embora suas eficiências tenham sido baixas e a estabilidade do material absorvente tenha sido muito curta para aplicações comerciais, muitas pesquisas são investidas nessas tecnologias, pois prometem atingir o objetivo de produzir baixo custo e alta eficiência. células solares

A energia fotovoltaica emergente, geralmente chamada de células fotovoltaicas de terceira geração, inclui:

  • Célula solar de sulfeto de zinco e estanho de cobre (CZTS) e derivados CZTSe e CZTSSe
  • Célula solar sensibilizada por corante, também conhecida como "célula de Grätzel"
  • Célula solar orgânica
  • Célula solar em perovskita
  • Célula solar de ponto quântico

Especialmente as realizações na pesquisa de células de perovskita receberam grande atenção do público, pois suas eficiências de pesquisa recentemente subiram acima de 20%. Eles também oferecem um amplo espectro de aplicações de baixo custo. Além disso, outra tecnologia emergente, o concentrador fotovoltaico (CPV), utiliza células solares de junção múltipla de alta eficiência em combinação com lentes ópticas e um sistema de rastreamento.

Absorção de radiação solar pela célula solar de película fina

Múltiplas técnicas têm sido usadas para aumentar a quantidade de luz que entra na célula e reduzir a quantidade que escapa sem absorção. A técnica mais óbvia é minimizar a cobertura de contato superior da superfície da célula, reduzindo a área que impede a luz de chegar à célula.

A luz de comprimento de onda fracamente absorvida pode ser acoplada obliquamente ao silício e passa pelo filme várias vezes para melhorar a absorção.

Vários métodos foram desenvolvidos para aumentar a absorção, reduzindo a quantidade de fótons incidentes que são refletidos na superfície da célula. Um revestimento anti-reflexo adicional pode causar interferência destrutiva na célula, modulando o índice de refração do revestimento de superfície. A interferência destrutiva elimina a onda reflexiva, fazendo com que toda a luz incidente entre na célula.

A texturização de superfície é outra opção para aumentar a absorção, mas aumenta os custos. Ao aplicar uma textura na superfície do material ativo, a luz refletida pode ser refratada para atingir a superfície novamente, reduzindo assim a refletância. Por exemplo, a textura do silício preto por ataque iônico reativo (RIE) é uma abordagem eficaz e econômica para aumentar a absorção de células solares de silício de película fina. Um refletor traseiro texturizado pode impedir que a luz escape da parte traseira da célula.

Além da textura da superfície, o esquema de captura de luz plasmônica atraiu muita atenção para ajudar a melhorar a fotocorrente em células solares de película fina. Este método utiliza a oscilação coletiva de elétrons livres excitados em nanopartículas de metais nobres, que são influenciadas pela forma das partículas, pelo tamanho e pelas propriedades dielétricas do meio circundante.

Além de minimizar a perda reflexiva, o próprio material da célula solar pode ser otimizado para ter uma chance maior de absorver um fóton que o atinge. As técnicas de processamento térmico podem melhorar significativamente a qualidade do cristal das células de silício e, portanto, aumentar a eficiência. A camada celular de película fina para criar uma célula solar de junção múltipla também pode ser feita. O intervalo de banda de cada camada pode ser projetado para absorver melhor uma faixa diferente de comprimentos de onda, para que juntos eles possam absorver um espectro maior de luz.

Progresso adicional em considerações geométricas pode explorar a dimensionalidade do nanomaterial. Grandes matrizes de nanofios paralelos permitem comprimentos de absorção longos ao longo do comprimento do cabo, mantendo comprimentos de difusão curtos de portadores menores ao longo da direção radial. A adição de nanopartículas entre os nanofios permite a condução. A geometria natural dessas matrizes forma uma superfície texturizada que capta mais luz.

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Última revisão: 26 de setembro de 2019