Tipos de células fotovoltaicas

Quadro adaptado de (Razykov et al., 2011), (Sampaio & González, 2017), (Rafael da Silva Sá, 2017) e (Castro, 2011).

Silicon Solar Cells

Crystalline Si Solar Cells

São produzidas através do processo de Czochralski. Processo esse onde o núcleo de cristal é imerso num banho, de silício fundido e boro, do tipo p1_{, com temperaturas perto do ponto de fusão, cerca de 1400ºC. [17]}

É possível ver na figura acima, da esquerda para a direita, o minério de silício purificado em pequenos diamantes brancos acinzentados, o forno de Czochralski, lingote de silício, as fatias (wafers) e a célula fotovoltaica monocristalina

É o material mais usado na composição das células fotovoltaicas, atingindo cerca de 90% do mercado mundial. O rendimento máximo atingido em laboratório ronda os 24%, o qual em utilização prática se traduz em cerca de 15%. A produção de silício cristalino é cara.

Polycrystalline Water Si Solar Cells

As células de silício policristalino também são feitas de silício purificado, porém o processo para a sua obtenção é diferente. Observando a sequência de imagens acima é possível ver o silício purificado que começa por ser fundido em grandes blocos, os "tijolos de silício", de seguida são cortados às fatias, wafers, e por fim obtém-se a célula fotovoltaica policristalina.

São relativamente menos eficientes do que as de silício monocristalino e chegam a rendimentos de 12-15%.

Thin-Film c-Si and Pc-Si Solar Cells

As células de filme fino, descobertas em meados dos anos 70, têm inúmeras vantagens relativamente as restantes de estrutura cristalina. Entre elas, o facto de poderem ser reduzidas para espessuras de 1μm e consequentemente precisarem de menos material para a sua construção.

Apesar de terem sido descobertas há vários anos atrás, foram precisos cerca de 30 para começarem a obter eficiências razoáveis.

Thin-Film Amorphous and Nano-Si Solar Cells

Células sob grande investigação. Apesar de não terem a estrutura cristalina das anteriores, oferecem uma nova forma de converter energia solar em energia eléctrica com melhores eficiências a custos reduzidos.

Em termos de comparação, são células que requerem menos silício para obter as mesmas eficiências que as células referidas anteriormente.

O silício amorfo absorve a radiação solar de uma maneira muito mais eficiente do que o silício cristalino, pelo que é possível depositar uma fina película16 μm de silício amorfo sobre um substrato (metal, vidro, plástico). Este processo de fabrico é ainda mais barato do que o do silício policristalino. Existem equipamentos solares domésticos como calculadoras e relógios que são alimentados com células de silício amorfo, representando cerca de 4% do mercado. Em laboratório é possível obter rendimentos da ordem de 13%, mas as propriedades conversoras do material deterioram-se em utilização prática, pelo que os rendimentos descem para cerca de 6 % [22]. Em contrapartida permite que sejam depositadas sobre uma vasta gama de substratos, quer sejam rígidos ou flexíveis [10 e 19]. As células de Silício micro Amorfo (μ-Si), também designadas por células híbridas, são formadas a partir da junção de células microcristalinas com células de silício amorfo. Apesar de poder atingir eficiências interessantes, cerca de 12%, comparativamente com as restantes tecnologias Fotovoltaicas, precisa de áreas maiores que as concorrentes para atingir a mesma eficiência. [19]

É um tipo de célula com cerca de 9 % de utilização em todo o mundo.

Thin-film chalcogenide solar cells II-VI , II-VI solar cells

CdTe cells - Cadmium Telluride

Com uma elevada eficiência, são das células mais promissoras a nível de peliculas de filme fotovoltaico. Em contrapartida são toxicas e prejudicam o meio ambiente. Outro potencial problema é a escassez de Te, Tellerium, levando ao aumento exponencial do preço da célula

I-III-VI2 solar cells

CIGS solar cells - Copper Indium Selenide (CIS) e Copper Indium Gallium Dieseline (CIGS

As células de Cobre-Índio-Gálio-Selênio (CIGS), em que a sua constituição, ao contrário das células feitas com silício, que são baseadas numa junção p-n2 _{de um mesmo material, são feitas com várias camadas ultrafinas de diferentes}

semicondutores, onde cada semicondutor apresenta diferentes intervalos de energia. Quanto à sua eficiência, varia entre 12% a 18% consoante a área da respectiva célula.

III-V single and multi-junction solar cells

São células utilizadas normalmente na área espacial devido ao seu elevado custo. Ao contrário das outras células, as de junção simples chegam a eficiências de 30%, as de junção múltipla conseguem ultrapassar a barreira dos 40%, teoricamente falando.

1_{Um semicondutor diz-se do tipo p quando as concentrações de eletrões são muito superiores às lacunas.}

2_{Num cristal de semicondutor são adicionadas num dos lados impurezas do tipo dador e no outro lado impurezas do tipo receptor. A esta junção formada por um} processo metalúrgico dá-se o nome de junção p-n.

Nanophotovoltaics

Quantum well solar cells

São células com custos e performances muito competitivas. As QWSC têm o potencial para alcançar eficiências muito elevadas. Actualmente, devido à sua junção standard p-n, as eficiências estão limitadas a cerca de 30%. Existem estudos actuais para ultrapassarem esta barreira, diminuindo a distância entre as junções.

Quantum dot solar cells

As QDs são nano células de estrutura cristalina, ou por outras palavras, um granulado de um material semicondutor, que podem ser produzidos por uma grande variedade de métodos

A principal vantagem deste tipo de células é a capacidade para sintonizar a absorção apenas com a variação de diâmetro da própria célula “simply by choosing the dot diameter”.

Dye-sensitized solar cells

Células Sensibilizadas por Corantes (Dey sensitized), ou também designadas por células de Gratzel, baseadas num mecanismo foto-electro-químico rápido e regenerativo. Na sua composição temos um elétrodo de Dióxido de Titânio (TiO2) com corante, quanto à sua produção tem um custo relativamente baixo.

Organic Solar cells

Células Orgânicas, compostas por materiais orgânicos como dadores e recetores de eletrões e lacunas, a sua eficiência pode atingir os 8%. Tem a vantagem de usar materiais económicos, mas em contrapartida necessita de ter uma área maior para atingir níveis de potência semelhantes ao das outras tecnologias.

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