Tipos de Células Solares

As células solares podem ser classificadas quanto aos materiais que as compõem, como homojunção e heterojunção (BUBE, 1998). Podem também possuir uma ou mais bandas proibidas. As células solares mais comumente encontradas são as de uma banda, as quais podem ser classificadas em quatro tipos, sendo células solares de silício cristalino, de filmes finos, células solares orgânicas e células solares fotoeletroquímicas (SANTOS, 2005).

As células solares de silício correspondem à maior fatia de mercado e podem ser de silício monocristalino (m-Si) ou policristalino (p-Si). O silício monocristalino para células solares é produzido a partir do crescimento de um cristal de silício grau eletrônico (Si-GE) pelo processo Czochralski (TOLMASQUIM, 2003). Os valores de eficiência destes e de outros materiais para células solares podem ser observados na Tabela 4. Tais valores são referentes a resultados em células de laboratório, mais eficientes que as células comerciais. Células de silício monocristalino, por não possuir contornos, são mais eficientes. Contornos limitam o transporte de portadores fotogerados pelo semicondutor, aumentando sua recombinação. Células de silício policristalino possuem contornos entre os cristalis, mas apresentam menor custo de produção e têm a vantagem de ter uma geometria quadrada, permitindo um melhor empacotamento nos painéis (NOGUEIRA, 2001). Quanto aos materiais componentes, classificam-se como homojunção e heterojunção. Homojunções são caracterizadas por apresentar as camadas da junção compostas pelo mesmo material semicondutor, sendo uma camada dopada tipo p e outra tipo n.

Tabela 4: Diferentes materiais para células solares e suas respectivas eficiências em laboratório

Materiais Eficiência

(laboratório)

a - Si 10,1%

Células solares sensibilizadas por corante 11,4%

Heterojunção a-Si:H/CuInSe2 15,6% Homojunção CdTe 16% Homojunção ZnSe 16,5% Homojunção CuInGaSe2 18% p - Si 19,8% Heterojunção GaAs/CuInSe2 21,3% m - Si 24,7%

Heterojunção GaInP2/GaAs 28,7%

Homojunção GaAs 30%

Heterojunção GaAs/Si 31%

Fonte: (BUBE, 1998; NOGUEIRA, 2001; OLSON et al., 1990; O’REGAN; GRÄTZEL, 1991; SCHOONMAN, 2005)

Outro tipo de homojunção são as células solares de filmes finos, que, assim como as células de silício cristalino, utilizam materiais de alto custo, porém, em quantidades menores. O arseneto de gálio (GaAs) tem sido utilizado para a construção de células com boa eficiência. Porém, o gálio é um material raro (NOGUEIRA, 2001) e o arsênio apresenta toxicidade (WEBB et al., 1986). Também são utilizados materiais como telureto de cádmio (CdTe) e disseleneto de cobre índio gálio (CuInGaSe2), materiais com elevada eficiência de absorção da radiação solar. Por outro lado, o cádmio é um material cancerígeno, o que gera uma problemática no processo de produção e no manejo do resíduo no final do ciclo de vida do material (TOLMASQUIM, 2003).

Heterojunções apresentam a mesma forma de operação que as homojunções, porém, são compostas de materiais diferentes, com diferentes espaçamentos de banda proibida e eletroafinidades (BUBE, 1998; NOGUEIRA, 1998). Podem ser junções de diferentes semicondutores, de metais com semicondutores (REZENDE, 2004) ou até mesmo com materiais poliméricos conjugados, a exemplo das células solares orgânicas, que apresentam menor custo e são flexíveis (SANTOS, 2005). Em heterojunções de diferentes semicondutores, ocorre uma descontinuidade de energia na interface, em função dos diferentes

valores de energia de banda proibida (Eg), ocorrendo a transferência de cargas de um lado para outro, de forma semelhante às junções p-n. Um exemplo deste tipo de heterojunção são as heterojunções de GaAs – Ga1-xAlxAs, utilizadas em lasers semicondutores (REZENDE, 2004).

Heterojunções de metal – semicondutor são utilizadas em dispositivos de alta frequência. Materiais metálicos e semicondutores, quando separados entre si, possuem níveis de Fermi em diferentes posições relativas. Nos metais o nível de Fermi localiza-se no mais alto nível preenchido da banda de valência, parcialmente preenchida. Nos semicondutores localiza-se no interior da banda proibida, não havendo elétrons neste nível. Quando metal e semicondutor são colocados em contato, ocorre a transferência de cargas de um lado para outro de modo a igualar os dois níveis de Fermi, de maneira semelhante às junções p-n, já descritas na página 26. Porém, como buracos existem apenas em materiais semicondutores, estes não migram para o metal na transferência de carga, criando camadas de carga nos dois lados da junção, que formam uma barreira de potencial, chamada barreira de Schottky. Em heterojunções metal – semicondutor, a corrente é dominada por portadores majoritários (REZENDE, 2004).

Nas células fotoeletroquímicas, diferentemente das demais células solares, o efeito fotovoltaico não ocorre em uma junção p-n, mas sim na interface entre um semicondutor (tipo n) e um eletrólito (NOGUEIRA, 2001). Neste tipo de célula, pares elétron – buraco são excitados em um semicondutor de grande banda proibida e a absorção de radiação provoca uma reação de oxidação em uma superfície e uma reação de redução em outra, causando um fluxo de elétrons.

Existem três tipos de célula fotoeletroquímica: - as células fotocatalíticas, as células fotoeletrolíticas / fotogalvânicas e as células fotovoltaicas. As células fotocatalíticas são utilizadas para a conversão de substâncias, como o ácido acético em etano, dióxido de carbono e hidrogênio, utilizando os fótons incidentes para a energia de ativação. Este tipo de célula opera com reações no sentido termodinamicamente favorável, com a energia livre de Gibbs inferior a zero (ΔG < 0). Células fotoeletrolíticas e fotogalvânicas têm seu princípio de funcionamento semelhante às células fotocatalíticas, porém, exigem a aplicação de um potencial nos eletrodos para superar a barreira de energia (ΔG > 0). Células

fotoeletroquímicas fotovoltaicas convertem a luz incidente diretamente em energia elétrica. Neste tipo de célula, a radiação é absorvida por um semicondutor tipo n, ocorrendo a formação de um par elétron – buraco, sendo um elétron promovido à banda de condução, formando um buraco na banda de valência do semicondutor. O elétron da banda de valência é transportado pelo semicondutor até um eletrodo condutor, ligado ao circuito externo. O buraco formado na banda de condução do semicondutor migra até um eletrólito. O eletrólito é um par REDOX com potencial químico suficiente para permitir a coleta e redução deste “buraco”. O par REDOX, oxidado, difunde-se até um contraeletrodo, sendo reduzido ao recombinar o buraco com o elétron que passou pelo circuito externo, fechando o ciclo. Exemplos de semicondutores utilizados neste tipo de dispositivo são óxido de zinco (ZnO), dióxido de titânio (TiO2) e dióxido de estanho (SnO2), que apresentam energias de banda proibida da ordem de 3,3 eV, 3,2 eV e 3,6 eV. Tais bandas proibidas correspondem a comprimentos de onda abaixo de 390nm, absorvendo apenas cerca de 5% da radiação. Em semicondutores com pequeno espaçamento de banda proibida pode ocorrer a fotocorrosão do eletrodo pela presença de portadores minoritários, que podem ser elétrons livres em um semicondutor tipo-p ou buracos em um semicondutor tipo-n. Portadores minoritários aumentam também as perdas por recombinação de cargas (NOGUEIRA, 1998; O’REGAN; GRÄTZEL, 1991).

2.6.2.1 Células Solares Sensibilizadas Por Corante (CSSC)

Visando aumentar a eficiência de coleta de fótons em células fotoeletroquímicas, corantes têm sido utilizados como absorvedores de radiação na região da luz visível. Tais dispositivos são denominados células solares sensibilizadas por corante (CSSC). As CSSC diferem das células fotoeletroquímicas fotovoltaicas porque separam a função de absorção da luz do transporte de carga. Nestes dispositivos, a corrente elétrica é gerada quando um fóton absorvido por uma molécula de corante dá origem à injeção de um elétron na banda de condução do semicondutor (O'REGAN; GRÄTZEL, 1991). O circuito se completa da mesma forma das células fotoeletroquímicas fotovoltaicas, ou seja, o corante é regenerado por meio de um par REDOX em solução, que é então reduzido no contraeletrodo.

corante é realizada na região espectral do visível, tornando possível um melhor aproveitamento da radiação incidente do sol. O’Regan e Grätzel (1991) reportaram que o comprimento de onda em que inicia a absorção foi modificado para 750 nm (1,6 eV), com eficiência de coleta de luz próxima de 100% no total da região visível abaixo de 550 nm (2,3 eV), conforme mostra a Figura 7.

Para o material não sensibilizado por corante foi observado o início da absorção em 450nm, com eficiência próxima de 100% a aproximadamente 350nm.

Porém, a sensibilização de semicondutores ainda não representou por si só um aumento significativo na eficiência das células solares. Em uma superfície plana, uma camada monomolecular de corante absorve menos que 1% da radiação incidente. Tentativas de aumentar a coleta de fótons pela utilização de multicamadas de corante também não obtiveram sucesso. Uma outra opção foi aumentar a rugosidade da superfície semicondutora, visando a adsorção de um maior número de moléculas de corante na superfície, que pode simultaneamente estar em contato direto com o eletrólito REDOX. Partindo desta premissa, pesquisadores Figura 7: Espectro de absorção e ação fotocorrente de filmes de TiO2 em substrato condutor

transparente. a) Sem sensibilização. b) Sensibilizado com corante à base de rutênio.

Adaptado de (O'REGAN; GRÄTZEL, 1991) pelo autor. Comprimento de onda (nm) E fic iê n ci a

conseguiram aumentar significativamente a eficiência de coleta de fótons, utilizando os semicondutores ZnO e SnO2, porém ainda não haviam conseguido um aumento significativo na eficiência global das células solares, em função da instabilidade dos corantes utilizados, que se degradavam rapidamente (NOGUEIRA, 1998).

O'Regan e Grätzel (1991) produziram filmes semicondutores mesoporosos de TiO2 (predominantemente na fase cristalina anatase, definida na página 38) com cristalitos de tamanho nanométrico, junto com novos corantes de transferência de carga, e construíram uma célula solar estável com eficiência da ordem de 11%. Filmes mesoporosos (diâmetro médio de cristalito de 20 nm) possuem grande área superficial, cerca de mil vezes maior que um filme compacto (KAY; GRÄTZEL, 1996; NOGUEIRA, 2001). O'Regan e Grätzel buscaram otimizar os parâmetros tamanho de cristalito, consequentemente poros, e área superficial específica, objetivando alta eficiência de coleta de luz e poros com tamanhos a permitir a fácil difusão do eletrólito REDOX. A substituição do semicondutor compacto pelo semicondutor poroso, de estrutura nanocristalina e alta rugosidade superficial foi a maior contribuição destes pesquisadores.

As células solares sensibilizadas por corante (CSSCs) apresentam algumas vantagens, tais como o aumento da faixa útil do espectro eletromagnético pela utilização de corantes; maior geração de densidade de corrente em luz difusa que em luz direta, operando bem em condições de nebulosidade parcial e com luz refratada e refletida; operam em temperaturas mais altas em relação às células solares convencionais; menor custo de produção e são ambientalmente amigáveis, já que o semicondutor é obtido a partir de um óxido metálico.