A geração de energia solar, como uma das principais soluções de energia limpa, tem atraído considerável atenção da indústria. Se você tiver interesse, vamos explorar a estrutura das células solares e os materiais fotovoltaicos relacionados.
A geração de energia solar, frequentemente chamada de células solares, converte diretamente a luz solar em eletricidade. Nos painéis solares, os fótons do sol deslocam elétrons das ligações atômicas dos materiais semicondutores. Quando esses elétrons são forçados a se mover na mesma direção, geram uma corrente elétrica que pode alimentar dispositivos eletrônicos ou ser injetada na rede elétrica.
Desde que o físico francês Alexandre-Edmond Becquerel teorizou pela primeira vez a tecnologia fotovoltaica em 1839, a geração de energia solar tem sido um tema fundamental de pesquisa. Hoje, com importantes equipes de pesquisa dos EUA, Japão e Europa acelerando a comercialização de seus sistemas solares, o mercado internacional para a indústria fotovoltaica continua a se expandir.
Módulos fotovoltaicos
Embora os materiais utilizados em sistemas fotovoltaicos variem, todos os módulos são compostos por diversas camadas, da face frontal à posterior. A luz solar passa primeiro por uma camada protetora (geralmente vidro) e, em seguida, por uma camada de contato transparente, chegando à célula propriamente dita. No centro do módulo encontra-se o material absorvedor, que captura os fótons para gerar corrente elétrica. O tipo de material semicondutor utilizado depende das necessidades específicas do sistema fotovoltaico.
Abaixo do material absorvedor encontra-se a camada metálica traseira, que completa o circuito elétrico. Abaixo da camada metálica, há uma camada de filme composto que impermeabiliza e isola o módulo. Os módulos fotovoltaicos são frequentemente equipados com uma camada protetora adicional na parte traseira, feita de vidro, liga de alumínio ou plástico.
Materiais semicondutores
Os materiais semicondutores em sistemas fotovoltaicos podem ser silício, filmes finos policristalinos ou filmes finos monocristalinos. Os materiais de silício incluem silício monocristalino, silício policristalino e silício amorfo. O silício monocristalino, com sua estrutura regular, possui uma eficiência de conversão fotovoltaica maior do que o silício policristalino.
No silício amorfo, os átomos de silício estão distribuídos aleatoriamente, resultando em uma eficiência de conversão menor em comparação com o silício monocristalino. No entanto, o silício amorfo pode capturar mais fótons, e a sua adição a elementos como germânio ou carbono pode melhorar essa propriedade.
O disseleneto de cobre e índio (CIS), o telureto de cádmio (CdTe) e o silício em película fina são materiais policristalinos em película fina comumente utilizados. Materiais de alta eficiência, como o arseneto de gálio (GaAs), frequentemente incorporam películas finas de silício monocristalino. Esses materiais são selecionados para aplicações fotovoltaicas específicas com base em propriedades únicas, como cristalinidade, tamanho da banda proibida, capacidade de absorção e facilidade de processamento.
Fatores externos que afetam os semicondutores
O arranjo atômico em uma estrutura cristalina determina a cristalinidade dos materiais semicondutores, o que impacta diretamente o transporte de carga, a densidade de corrente e a eficiência de conversão de energia das células solares. A banda proibida dos materiais semicondutores refere-se à energia mínima necessária para mover elétrons de um estado ligado para um estado livre (permitindo a condução). A banda proibida, tipicamente denotada por Eg, descreve a diferença de energia entre a banda de valência (baixa energia) e a banda de condução (alta energia).
O coeficiente de absorção quantifica a distância que um fóton de um determinado comprimento de onda pode penetrar em um meio antes de ser absorvido. Ele é determinado pelo material da célula e pelo comprimento de onda do fóton absorvido.
O custo e a facilidade de processamento de diversos materiais e dispositivos semicondutores dependem de inúmeros fatores, incluindo o tipo e a escala dos materiais utilizados, os ciclos de produção e as características de migração da célula na câmara de deposição. Cada fator desempenha um papel crucial para atender às necessidades específicas de geração fotovoltaica.
