Produção de células fotovoltaicas para painéis solares

A base de qualquer instalação fotovoltaica é sempre um módulo fotovoltaico. Um módulo fotovoltaico é uma combinação de células fotovoltaicas conectadas eletricamente entre si. O termo fotovoltaico consiste em duas palavras «foto» (do grego. Light) e «volt» (Alessandro Volta - 1745-1827, físico italiano) - uma unidade de medida de tensão em engenharia elétrica. Analisando o termo fotovoltaico, podemos dizer — é conversão de luz em eletricidade.

Uma célula fotovoltaica (célula solar) é usada para gerar eletricidade convertendo a radiação solar. Uma fotocélula pode ser pensada como um diodo feito de semicondutores tipo n e tipo p com uma região depletada de portadora formada, então uma fotocélula não iluminada é como um diodo e pode ser descrita como um diodo.

Para semicondutores com largura entre 1 e 3 eV, a eficiência teórica máxima pode chegar a 30%. O gap é a energia mínima do fóton que pode elevar um elétron da banda de valência para a banda de condução. As células solares comerciais mais comuns são elementos de sílex.

Monocristais e policristais de silício. O silício é hoje um dos elementos mais comuns para a produção de módulos fotovoltaicos. No entanto, devido à baixa absorção da radiação solar, as células solares de cristal de silício são geralmente feitas com 300 µm de largura. A eficiência da fotocélula monocristalina de silício chega a 17%.

Se pegarmos uma fotocélula de silício policristalino, a eficiência dela é 5% menor que a do silício monocristalino. O contorno de grão de um policristal é o centro de recombinação dos portadores de carga. O tamanho dos cristais de silício policristalino pode variar de alguns mm a um cm.

Arsenieto de gálio (GaAs). Células solares de arsenieto de gálio já demonstraram uma eficiência de 25% em condições de laboratório. O arseneto de gálio, desenvolvido para optoeletrônica, é difícil de produzir em grandes quantidades e bastante caro para células solares. Células solares de arsenieto de gálio são aplicadas juntamente com concentradores solares, bem como para a cosmonáutica.

Tecnologia de fotocélula de filme fino. A principal desvantagem das células de silício é seu alto custo. Células de película fina feitas de silício amorfo (a-Si), telureto de cádmio (CdTe) ou disselineto de cobre-índio (CuInSe2) estão disponíveis. A vantagem das células solares de filme fino é a economia de matéria-prima e produção mais barata em comparação com as células solares de silício. Portanto, podemos dizer que os produtos de película fina têm perspectivas de uso em fotocélulas.

A desvantagem é que alguns materiais são bastante tóxicos, portanto a segurança e a reciclagem do produto desempenham um papel importante. Além disso, o telureto é um recurso esgotante em comparação com o silício.A eficiência das fotocélulas de filme fino chega a 11% (CuInSe2).

No início da década de 1960, as células solares custavam aproximadamente US$ 1.000/W de potência de pico e eram fabricadas principalmente no espaço. Na década de 1970, a produção em massa de fotocélulas começou e seu preço caiu para $ 100/W. Novos progressos e uma redução no preço das fotocélulas tornaram possível o uso de fotocélulas para necessidades domésticas. Especialmente para parte da população que vive longe de linhas de energia e fontes de alimentação padrão, os módulos fotovoltaicos tornaram-se uma boa alternativa.

A foto mostra a primeira célula solar baseada em silício. Foi criada por cientistas e engenheiros da empresa americana Bell Laboratories em 1956. Uma célula solar é uma combinação de módulos fotovoltaicos conectados eletricamente entre si. A combinação é selecionada dependendo dos parâmetros elétricos necessários, como corrente e tensão. Uma célula dessa bateria solar, produzindo menos de 1 watt de eletricidade, custa US$ 250. A eletricidade produzida era 100 vezes mais cara do que a da rede convencional.

Por quase 20 anos, os painéis solares foram usados ​​apenas para o espaço. Em 1977, o custo da eletricidade foi reduzido para US$ 76 por célula de watt. A eficiência aumentou gradativamente: 15% em meados da década de 1990 e 20% em 2000. Os dados atuais mais relevantes sobre o tema —Eficiência de células e módulos solares

A produção de células solares de silício pode ser dividida em três etapas principais:

• produção de silício de alta pureza;

• fazer arruelas finas de silicone;

• instalação da fotocélula.

A principal matéria-prima para a produção de silício de alta pureza é a areia de quartzo (SiO2)2). O fundido é obtido por eletrólise silício metalúrgicoque tem uma pureza de até 98%. O processo de recuperação do silício ocorre quando a areia interage com o carbono a uma temperatura elevada de 1800°C:

Este grau de pureza não é suficiente para a produção de uma fotocélula, por isso deve ser processado posteriormente. A purificação adicional de silício para a indústria de semicondutores é realizada praticamente em todo o mundo usando tecnologia desenvolvida pela Siemens.

«Processo Siemens» é a purificação do silício pela reação do silício metalúrgico com ácido clorídrico, resultando em triclorossilano (SiHCl3):

O triclorossilano (SiHCl3) está na fase líquida, por isso é facilmente separado do hidrogênio. Além disso, a destilação repetida de triclorossilano aumenta sua pureza para 10-10%.

O processo subsequente – pirólise de triclorossilano purificado – é usado para produzir silício policristalino de alta pureza. O silício policristalino resultante não atende plenamente às condições de uso na indústria de semicondutores, mas para a indústria solar fotovoltaica, a qualidade do material é suficiente.

O silício policristalino é uma matéria-prima para a produção de silício monocristalino. Dois métodos são usados ​​para a produção de silício monocristalino - o método Czochralski e o método de zona de fusão.

método de Czochralski é intensivo em energia, bem como intensivo em material. Uma quantidade relativamente pequena de silício policristalino é carregada no cadinho e derretida sob vácuo.Uma pequena semente de monossilício cai na superfície do fundido e então, girando, sobe, puxando o lingote cilíndrico para trás, devido à força da tensão superficial.

Atualmente, os diâmetros dos lingotes estirados são de até 300 mm. O comprimento dos lingotes com diâmetro de 100-150 mm atinge 75-100 cm, e a estrutura cristalina do lingote alongado repete a estrutura monocristalina da semente. Aumentar o diâmetro e o comprimento de um lingote, assim como melhorar a tecnologia de seu corte, reduzirá a quantidade de desperdício, reduzindo assim o custo das fotocélulas resultantes.

Tecnologia de cinto. O processo tecnológico desenvolvido pela Mobil Solar Energy Corporation baseia-se na extração de tiras de silício do fundido e na formação de células solares sobre elas. A matriz é parcialmente imersa no fundido de silício e, devido ao efeito capilar, o silício policristalino sobe, formando uma fita, o fundido cristaliza e é removido da matriz. Para aumentar a produtividade, foi projetado o equipamento, no qual é possível receber até nove correias ao mesmo tempo. O resultado é um prisma de nove lados.

A vantagem das correias é que elas são de baixo custo devido ao fato de que o processo de corte do lingote é excluído. Além disso, células fotovoltaicas retangulares podem ser facilmente obtidas, enquanto o formato redondo das placas monocristalinas não contribui para o bom posicionamento da célula fotovoltaica no módulo fotovoltaico.

As hastes de silício policristalino ou monocristalino resultantes devem então ser cortadas em lâminas finas de 0,2-0,4 mm de espessura. Ao cortar uma haste de silício monocristalino, cerca de 50% do material é perdido por perdas.Além disso, as arruelas redondas nem sempre, mas frequentemente, são cortadas para formar um quadrado.