Fonte: www.energy.gov
Quando a luz incide sobre uma célula fotovoltaica (PV) - também chamada de célula solar - essa luz pode ser refletida, absorvida ou passar direto pela célula. A célula PV é composta de material semicondutor; o “semi” significa que pode conduzir eletricidade melhor do que um isolador, mas não tão bem como um bom condutor como um metal. Existem vários materiais semicondutores diferentes usados em células PV.
Quando o semicondutor é exposto à luz, ele absorve a energia da luz e a transfere para partículas carregadas negativamente no material chamadas elétrons. Essa energia extra permite que os elétrons fluam através do material como uma corrente elétrica. Essa corrente é extraída por meio de contatos de metal condutores - as linhas em forma de grade em células solares - e pode então ser usada para fornecer energia à sua casa e ao resto da rede elétrica.
A eficiência de uma célula fotovoltaica é simplesmente a quantidade de energia elétrica que sai da célula em comparação com a energia da luz que incide sobre ela, o que indica a eficácia da célula na conversão de energia de uma forma para a outra. A quantidade de eletricidade produzida a partir das células fotovoltaicas depende das características (como intensidade e comprimentos de onda) da luz disponível e dos múltiplos atributos de desempenho da célula.
Uma propriedade importante dos semicondutores PV é o bandgap, que indica quais comprimentos de onda de luz o material pode absorver e converter em energia elétrica. Se o intervalo de banda do semicondutor corresponder aos comprimentos de onda da luz que brilha na célula PV, essa célula pode fazer uso eficiente de toda a energia disponível.
Saiba mais abaixo sobre os materiais semicondutores mais comumente usados para células PV.
SILÍCIO
O silício é, de longe, o material semicondutor mais comum usado em células solares, representando aproximadamente 95% dos módulos vendidos hoje. É também o segundo material mais abundante na Terra (depois do oxigênio) e o semicondutor mais comum usado em chips de computador. As células de silício cristalino são feitas de átomos de silício conectados uns aos outros para formar uma rede cristalina. Essa rede fornece uma estrutura organizada que torna a conversão de luz em eletricidade mais eficiente.
As células solares feitas de silício fornecem atualmente uma combinação de alta eficiência, baixo custo e longa vida útil. Os módulos devem durar 25 anos ou mais, ainda produzindo mais de 80% de sua energia original após esse período.
FOTOVOLTAICA DE FILME FINO
Uma célula solar de filme fino é feita depositando uma ou mais camadas finas de material fotovoltaico em um material de suporte, como vidro, plástico ou metal. Existem dois tipos principais de semicondutores fotovoltaicos de filme fino no mercado hoje: telureto de cádmio (CdTe) e disseleneto de cobre, índio e gálio (CIGS). Ambos os materiais podem ser depositados diretamente na parte frontal ou posterior da superfície do módulo.
O CdTe é o segundo material PV mais comum depois do silício, e as células de CdTe podem ser feitas usando processos de fabricação de baixo custo. Embora isso os torne uma alternativa econômica, suas eficiências ainda não são tão altas quanto o silício. As células CIGS têm propriedades ideais para um material fotovoltaico e alta eficiência no laboratório, mas a complexidade envolvida na combinação de quatro elementos torna a transição do laboratório para a manufatura mais desafiadora. Tanto o CdTe quanto o CIGS requerem mais proteção do que o silício para permitir uma operação duradoura em ambientes externos.
PEROVSKITE PHOTOVOLTAICS
As células perovskitesolares são um tipo de célula de película fina e recebem o nome de sua estrutura cristalina característica. As células de perovskita são construídas com camadas de materiais que são impressos, revestidos ou depositados a vácuo em uma camada de suporte subjacente, conhecida comosubstrato.Eles são normalmente fáceis de montar e podem atingir eficiências semelhantes às do silício cristalino. No laboratório, a eficiência das células solares de perovskita melhorou mais rápido do que qualquer outro material fotovoltaico, de 3% em 2009 para mais de 25% em 2020. Para serem comercialmente viáveis, as células fotovoltaicas de perovskita precisam se tornar estáveis o suficiente para sobreviver 20 anos ao ar livre, portanto, os pesquisadores estão trabalhando para torná-los mais duráveis e desenvolver técnicas de fabricação de baixo custo e em larga escala.
FOTOVOLTAICA ORGÂNICA
As células orgânicas PV, ou OPV, são compostas de compostos ricos em carbono (orgânicos) e podem ser adaptadas para melhorar uma função específica da célula PV, como bandgap, transparência ou cor. As células OPV são atualmente apenas cerca de metade da eficiência das células de silício cristalino e têm tempos de vida operacionais mais curtos, mas poderiam ser menos dispendiosas para fabricar em grandes volumes. Eles também podem ser aplicados a uma variedade de materiais de suporte, como plástico flexível, tornando a OPV capaz de atender a uma ampla variedade de usos.
PONTOS QUÂNTICOS
As células solares de pontos quânticos conduzem eletricidade através de minúsculas partículas de diferentes materiais semicondutores de apenas alguns nanômetros de largura, chamados de pontos quânticos. Os pontos quânticos fornecem uma nova maneira de processar materiais semicondutores, mas é difícil criar uma conexão elétrica entre eles; portanto, atualmente não são muito eficientes. No entanto, são fáceis de transformar em células solares. Eles podem ser depositados em um substrato usando um método de revestimento giratório, spray ou impressoras rolo a rolo, como as usadas para imprimir jornais.
Os pontos quânticos vêm em vários tamanhos e seu bandgap é personalizável, permitindo-lhes coletar luz que é difícil de capturar e emparelhar com outros semicondutores, como perovskitas, para otimizar o desempenho de uma célula solar multijunção (mais sobre aqueles abaixo).
MULTIJUNCTION PHOTOVOLTAICS
Outra estratégia para melhorar a eficiência das células fotovoltaicas é colocar vários semicondutores em camadas para fazer células solares multifuncionais. Essas células são essencialmente pilhas de diferentes materiais semicondutores, ao contrário das células de junção única, que têm apenas um semicondutor. Cada camada tem um bandgap diferente, de modo que cada uma absorve uma parte diferente do espectro solar, fazendo maior uso da luz solar do que as células de junção única. As células solares multijuncionais podem atingir níveis recordes de eficiência porque a luz que não é absorvida pela primeira camada semicondutora é capturada por uma camada abaixo dela.
Enquanto todas as células solares com mais de um bandgap são células solares multijuncionais, uma célula solar com exatamente dois bandgaps é chamada de célula solar tandem. As células solares de multijunção que combinam semicondutores das colunas III e V no quadro periódico são chamadas de células solares de multijunção III-V.
As células solares multifuncionais demonstraram eficiências superiores a 45%, mas são caras e difíceis de fabricar, por isso estão reservadas para a exploração espacial. Os militares estão usando células solares III-V em drones, e os pesquisadores estão explorando outros usos para eles onde a alta eficiência é fundamental.
FOTOVOLTAICA DE CONCENTRAÇÃO
A concentração de PV, também conhecida como CPV, concentra a luz do sol em uma célula solar usando um espelho ou lente. Ao focar a luz do sol em uma área pequena, menos material fotovoltaico é necessário. Os materiais fotovoltaicos se tornam mais eficientes à medida que a luz se torna mais concentrada, de modo que as maiores eficiências gerais são obtidas com células e módulos CPV. No entanto, materiais mais caros, técnicas de fabricação e capacidade de rastrear o movimento do sol são necessários, portanto, demonstrar a vantagem de custo necessária sobre os módulos de silício de alto volume de hoje' tornou-se um desafio.
