Células solares de filme fino

Até 85% das células solares no mercado hoje são módulos solares cristalinos. No entanto, especialistas garantem que a tecnologia de película fina para a produção de células solares se mostra mais eficiente e, portanto, a mais promissora dos já conhecidos módulos de cristal.

A principal vantagem da tecnologia de filme fino é seu baixo custo, por isso tem todas as chances de se tornar líder nos próximos anos. Os módulos da nova base flexibilizam os painéis solares, no sentido literal da palavra. Eles são leves e flexíveis, o que permite colocar essas baterias literalmente em qualquer superfície, incluindo a superfície da roupa.

As células solares flexíveis são baseadas em filmes poliméricos, silício amorfo, alumínio, telureto de cádmio e outros semicondutores, que já são utilizados na produção de carregadores portáteis para celulares, laptops, tablets, câmeras de vídeo e outros gadgets, na forma de pequenos dobráveis células solares. Mas se for necessária mais energia, a área do módulo terá que ser maior.

As primeiras amostras de células solares de filme fino foram feitas com silício amorfo depositado em um substrato, e a eficiência era de apenas 4 a 5%, e a vida útil não era longa. O próximo passo da mesma tecnologia foi aumentar a eficiência para 8% e prolongar a vida útil, tornando-se comparável aos seus antecessores de cristal. Por fim, a terceira geração de módulos de película fina já teve uma eficiência de 12%, o que já é um avanço e competitividade significativos.

O seleneto de cobre e índio e o telureto de cádmio usados ​​aqui possibilitaram a criação de células solares flexíveis e carregadores portáteis com eficiência de até 10%, o que já é uma conquista significativa, considerando que os físicos lutam por cada percentual adicional de eficiência. Agora vamos dar uma olhada em como as baterias de filme fino são feitas.

Já o telureto de cádmio começou a ser estudado como material absorvedor de luz ainda na década de 1970, quando foi preciso encontrar a melhor opção para uso no espaço. Até hoje, o telureto de cádmio continua sendo o mais promissor para células solares. No entanto, a questão da toxicidade do cádmio permanece em aberto por algum tempo.

Como resultado da pesquisa, foi demonstrado que o perigo é mínimo, o nível de cádmio liberado na atmosfera não é perigoso. A eficiência é de 11%, enquanto o preço por watt é um terço menor que o dos análogos de silício.

Agora, para seleneto de cobre e índio. Uma quantidade significativa de índio hoje é usada para criar monitores de tela plana, então o índio é substituído pelo gálio, que tem as mesmas propriedades para energia solar… As baterias de filme nesta base atingem uma eficiência de 20%.

Recentemente, painéis de polímeros começaram a ser desenvolvidos.Aqui, os semicondutores orgânicos servem como materiais absorvedores de luz: fulerenos de carbono, polifenileno, ftalocianina de cobre, etc. A espessura da célula solar é de 100 nm, mas a eficiência é de apenas 5 a 6%. Mas, ao mesmo tempo, os custos de produção são bastante baixos, os filmes são acessíveis, leves e totalmente ecológicos. Por esta razão, os painéis de resina são populares onde o respeito pelo meio ambiente e a flexibilidade mecânica são importantes.

Portanto, a eficiência das células solares de filme fino fabricadas hoje:

• Monocristal — de 17 a 22%;

• Policristal — de 12 a 18%;

• Silício amorfo — 5 a 6%;

• Telureto de cádmio — de 10 para 12%;

• Seleneto de cobre-índio — de 15 a 20%;

• Polímeros orgânicos — 5 a 6%.

Quais são as características das baterias de filme fino? Em primeiro lugar, vale destacar o alto desempenho dos módulos mesmo em luz difusa, que dá até 15% a mais de potência durante o ano em relação aos análogos de cristal. Em seguida vem a vantagem de custo de fabricação. Em sistemas de alta potência, a partir de 10 kW, os módulos de película fina apresentam maior eficiência, embora seja necessária uma área 2,5 vezes maior.

Assim, podemos nomear as condições em que os módulos de película fina obtêm uma vantagem justificada. Em regiões com tempo quase nublado, as baterias de filme fino funcionarão com eficiência (luz difusa). Para regiões com climas quentes, os filmes finos são mais eficientes (funcionam com a mesma eficiência em altas temperaturas e em baixas temperaturas). Possibilidade de utilização como soluções decorativas de design para o acabamento de fachadas de edifícios. A transparência de até 20% é possível, o que novamente faz o jogo dos designers.

Enquanto isso, em 2008, a empresa americana Solyndra propôs a colocação de baterias de filme fino em cilindros, onde uma camada de fotocélula é aplicada a um tubo de vidro que é colocado dentro de outro tubo equipado com contatos elétricos. Os materiais utilizados são cobre, selênio, gálio, índio.

O design cilíndrico permite que mais luz seja absorvida, cabendo um conjunto de 40 cilindros por metro de dois painéis. O destaque aqui é que o revestimento do telhado branco contribui para a alta eficiência de tal solução, pois assim os raios refletidos também funcionam, agregando 20% de sua energia. Além disso, os conjuntos cilíndricos são resistentes até mesmo a ventos fortes com rajadas de até 55 m/s.

A maioria das células solares fabricadas hoje contém apenas uma junção pn, e os fótons com energia menor que o gap simplesmente não participam da geração. Então os cientistas descobriram uma maneira de superar essa limitação, foram desenvolvidos elementos em cascata de uma estrutura multicamada, onde cada camada tem sua própria largura de banda, ou seja, cada camada possui uma junção pn separada com um valor individual da energia do absorvido fótons.

A camada superior é formada por uma liga à base de silício amorfo hidrogenado, a segunda — uma liga semelhante com adição de germânio (10-15%), a terceira — com adição de 40 a 50% de germânio. Assim, cada camada sucessiva tem uma lacuna mais estreita que a da camada anterior, e os fótons não absorvidos nas camadas superiores são absorvidos pelas camadas subjacentes do filme.

Nesta abordagem, o custo da energia gerada é reduzido pela metade em comparação com as células de silício cristalino tradicionais. Como resultado, uma eficiência de 31% foi alcançada com um filme de três passagens, e um filme de cinco passagens promete 43%.

Recentemente, especialistas da Universidade Estadual de Moscou desenvolveram células solares tipo rolo baseadas em um polímero aplicado a um substrato flexível de material orgânico. A eficiência acabou sendo de apenas 4%, mas essas baterias podem funcionar mesmo a + 80 ° C por 10.000 horas. Esses estudos ainda não foram concluídos.

Cientistas suíços alcançaram uma eficiência de 20,4% em uma base de polímero, e índio, cobre, selênio e gálio foram usados ​​como semicondutores. Hoje, este é um recorde para elementos em um filme de polímero fino.

No Japão, eles alcançaram 19,7% de eficiência em semicondutores depositados por pulverização catódica semelhantes (índio, selênio, cobre). E no Japão eles começaram a produzir tecido solar, painéis solares de tecido foram desenvolvidos usando elementos cilíndricos de cerca de 1,2 milímetros de diâmetro presos ao tecido. No início de 2015, planejavam iniciar a produção de roupas e guarda-sóis nessa base.

É óbvio que os painéis solares de película fina finalmente estarão disponíveis para a população em um futuro próximo.Não é à toa que tantas pesquisas estão sendo realizadas em todo o mundo para reduzir custos.