Energias renováveis - Energia solar fotovoltaica

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  • Bom dia Dr. Luis Timóteo. Meu nome é Fabrício, sou estudante de mestrado aqui no Brasil. Estou desenvolvendo minha dissertação sobre a Viabilidade Técnica e Econômica da Energia Solar Fotovoltaica Orgânica no Brasil. Eu gostaria de saber se o senhor tem alguma coisa sobre este assunto. Ficarei muito grato pela ajuda. Abraços, Fabrício. E-mail: vegavideolocadora@hotmail.com
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  • @andre Ok ogrigado pelo comentário.. É possivel sim... mas não é a minha aréa de especialização.... verei o que posso fazer!
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  • Boa tarde sr. LUIS TÍMOTEO! Moro no brasil na cidade de Fortaleza-CE, Até agora já pesquisei muito sobre eletrônica, mais os seus trabalhos (slides) foram os mais bem elaborados que eu já encontrei na internet , você é um excelente Profissional !Gostaria de saber se você já fez algum trabalho sobre 'LINGUAGEM ASSEMBLY" os que se encontram aqui são muito resumidos.tenho certeza que se você elabora-se um seria show !É possível fazer um trabalho desses?Meu E-mail (andrecatv@gmail.com) Obrigado amigo pela antenção valeu!
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Energias renováveis - Energia solar fotovoltaica

  1. 1. Energias Renováveis: Energia Solar Fotovoltaica 03/12/2015 Por : Luís Timóteo 1 Não concordo com o acordo ortográfico
  2. 2. Energias Renováveis: Energia Solar Fotovoltaica 03/12/2015 Por : Luís Timóteo 2 Energia Solar  Introdução: Mudanças climáticas “A estabilização das concentrações de gases com efeito de estufa na atmosfera a um nível que evite uma interferência antropogénica perigosa humana induzida com o sistema climático. Tal nível deveria ser atingido durante um espaço de tempo suficiente que permita aos ecossistemas adaptarem-se naturalmente à mudança do clima, para garantir que a produção de alimentos não seja ameaçada e que permita ao desenvolvimento económico prosseguir de maneira sustentável “……  1997 Protocolo de Quioto Objectivos: a redução total das emissões de gases com efeito de estufa em pelo menos 5% em relação aos níveis de 1990 no período de 2008-2012. Entrada em vigor a 16 de Fevereiro de 2005: 2015: 191 Estados membros e uma organização regional. Limites do Protocolo de Quioto: Expira em 2020 (originalmente aspirava em 2012). Não ratificado pelos Estados Unidos, Canadá denunciou… Não vinculativo para estados emergentes ainda grandes poluidores (China, Índia, ...).
  3. 3. Energias Renováveis: Energia Solar Fotovoltaica 03/12/2015 Por : Luís Timóteo 3 Energia Solar  Introdução: Mudanças climáticas  2015 : COP21 - Paris Objectivos: Devemos desinvestir nos combustíveis fósseis e investir em energias renováveis com uma meta de: 100% de energia limpa até 2050. Globalmente, quatro quintos dos combustíveis fósseis conhecidos devem permanecer no solo, para manter as temperaturas globais em um nível seguro (abaixo de 2oC de aquecimento global em 2100). Até parece que vai ser verdade e vão deixar o Árctico tal como está!... Mobilizar 100.000 Milhões USD por ano dos países desenvolvidos a partir de 2020 para apoiar a adaptação às alterações climáticas nos países em desenvolvimento… Entrada em vigor 2020. Blá!.. Blá !.. Blá!... Blá!... Blá!... Blá !..
  4. 4. Energias Renováveis: Energia Solar Fotovoltaica 03/12/2015 Por : Luís Timóteo 4 Energia Solar  Introdução  A geração de energia solar "economicamente viável" continua a ser um objectivo remoto e indescritível para os cépticos de energia solar porque o custo da energia solar não subsidiado parece ser muito maior do que o custo da energia de geração convencional. Na verdade, hoje, ela não tem um fluxo de receitas por kWh suficiente para justificar um investimento empresarial de pequena ou média dimensão na geração de energia eléctrica solar. Mesmo as grandes instalações solares centralizadas estão abaixo de uma gama de equilíbrio de retorno financeiro sem incentivos.  A combinação de incentivos europeus e estatais, baseados em isenção de impostos reduzidos, pode fazer um investimento em energia solar atraente, em alguns países da UE; tarifários feed-in (FITs) têm sido particularmente eficazes em alguns países da Europa e na Ásia. Sem incentivos, no entanto, o fluxo de receita necessário para geração de energia solar ainda é consideravelmente maior do que a maneira menos onerosa para gerar electricidade usada hoje, ou seja, via não regulamentada, a geração á base de carvão (China). Esta assimetria de preços, pode dificultar o diálogo construtivo com os principais decisores e constitui um poderoso argumento para enfraquecer o apoio político para os incentivos à energia solar solares, especialmente durante tempos orçamentais apertados como foi o caso de Portugal entre 2011-2015 em que os investimentos anteriormente realizados nesta área foram completamente descorados e até abandonados... Devido ao abaixamento recente dos preços do petróleo!...e opções políticas contrárias ao meio ambiente...
  5. 5. Energias Renováveis: Energia Solar Fotovoltaica 03/12/2015 Por : Luís Timóteo 5 The image comes from a report written by Richard Perez, ASRC, University at Albany, Ken Zweibel, GW Solar Institute, George Washington University and Thomas E. Hoff. Clean Power Research. Urânio Petróleo Gás Natural Eólica Biomassa: 2-6 TW Hidro : 3-4 TW 25-70 TW Geotérmica: 0.3-2 TW Ondas: 0.3-2 TW Marés: 0.3 TW Solar : 23.000 TW/ano Consumo Mundial Carvão Renováveis /ano Total reservas Total 900 TW Total : 90 -300 TW 240 TW 215 TW 2012 - 16 TW/ano 2050 - 28 TW/ano  Potencial Energia Solar
  6. 6. Energias Renováveis: Energia Solar Fotovoltaica 03/12/2015 Por : Luís Timóteo 6  Em primeiro lugar, os recursos potenciais da energia solar são muito grandes quando comparados com o consumo anual actual de energia no mundo, ou com as reservas planetárias conhecidas de energia fóssil finita e recursos nucleares, e para o potencial anual das alternativas renováveis. O volume de cada esfera representa a quantidade total de energia recuperável a partir das reservas finitas e o potencial anual de fontes renováveis. Energia Solar  Potencial  Embora os recursos fósseis e recursos nucleares sejam muito grandes, em particular o carvão, eles não são infinitos e durariam, no máximo, algumas gerações, não obstante o impacto ambiental que resultará da sua exploração completa, sendo incerto que as tecnologias de captura de carbono se materializem por completo.  A energia nuclear pode não ser a solução livre de carbono reivindicado por alguns: pondo de lado as incógnitas e os riscos ambientais associados com este recurso, e da sua proliferação, não haveria combustível nuclear suficiente para assumir o papel dos combustíveis fósseis.
  7. 7. Energias Renováveis: Energia Solar Fotovoltaica 03/12/2015 Por : Luís Timóteo 7  A Biomassa, em particular, não poderia substituir a corrente de base fóssil: o aumento do custo dos alimentos e a procura por biocombustíveis é sintomático dessa realidade subjacente. Por outro lado, explorando apenas uma pequena fracção do potencial da energia solar da Terra, poderia atender às necessidades de energia com considerável espaço para crescimento. Assim, deixando a argumentação da relação custo / valor de lado, por agora, a lógica por si só nos diz, em vista dos potenciais disponíveis, que o futuro energético planetário será baseado na energia solar. Energia Solar  Potencial  As fontes renováveis não são todas equivalentes. O recursos solares são mais de 200 vezes maiores do que todos os outros combinados. A energia eólica provavelmente poderia suprir todas as necessidades energéticas do planeta se uma parcela considerável de seu potencial fosse explorado. No entanto, nenhum dos outros - a maioria dos quais são derivados de primeira e segunda ordem dos recursos solares - poderia, por si só, satisfazer a procura.  A energia solar é o único recurso global que é grande o suficiente e aceitável o suficiente, para resolver o problema energético do planeta Terra, para todo o futuro.
  8. 8. Energias Renováveis: Energia Solar Fotovoltaica 03/12/2015 Por : Luís Timóteo 8  Métodos de conversão Energia Solar e eH2O2 CO2 Açúcar H2O O2 Fotossíntese FotovoltaicosJunções semicondutor/ Líquido Três métodos para converter a luz solar directamente em energia utilizável. ElectricidadeElectricidade & FuelsFuels
  9. 9. Energias Renováveis: Energia Solar Fotovoltaica 03/12/2015 Por : Luís Timóteo 9 Energia Solar Térmica • Os painéis solares térmicos transformam a radiação solar directamente em energia térmica para o aquecimento de águas ou outros fins. Energia Solar Termoeléctrica • A energia solar termoeléctrica concentra a luz solar num líquido que atinge o ponto de ebulição, e o vapor é usado para accionar uma turbina que gera electricidade. Energia Solar Fotovoltaica • A Energia Solar Fotovoltaica é a energia obtida através da conversão direta da luz em eletricidade (Efeito Fotovoltaico).  Métodos de conversão Energia Solar
  10. 10. Energias Renováveis: Energia Solar Fotovoltaica 03/12/2015 Por : Luís Timóteo 10  Vantagens Energia Solar
  11. 11. Energias Renováveis: Energia Solar Fotovoltaica 03/12/2015 Por : Luís Timóteo 11  Desvantagens Energia Solar
  12. 12. Energias Renováveis: Energia Solar Fotovoltaica 03/12/2015 Por : Luís Timóteo 12 Energia Solar Fotovoltaica  Neste estudo vamo-nos focar no processo de transformação da energia solar em energia eléctrica pelo método fotovoltaico.
  13. 13. Energias Renováveis: Energia Solar Fotovoltaica 03/12/2015 Por : Luís Timóteo 13 Vamos dar uma rápida olhada na história e desenvolvimento dos sistemas de energia solar, em especial os fotovoltaicos, desde a primeira observação do efeito fotovoltaico até os dias de hoje. Este artigo é de uma revista dos EUA, por isso o enfoque no mercado americano. 1839: O efeito fotovoltaico é observado pela primeira vez (registado) pelo físico francês Alexandre Edmond Becquerel. 1883: Charles Fritts constrói a primeira “célula solar“, com apenas 1% de eficiência. 1887: O físico russo Aleksandre Stoletov constrói a primeira célula solar baseada no efeito fotoeléctrico externo. 1900: Inicia-se o uso de Sistemas de Aquecimento Solar (SAS) em residências nos Estados Unidos, que utilizavam reservatórios pintados de preto sobre os telhados. 1905: Albert Einstein explica a física do efeito fotoeléctrico. 1920: Sistemas de Aquecimento Solar, utilizando colectores solares planos, são instalados em casas e prédios de apartamentos na Flórida e sul da Califórnia. 1921: Albert Einstein recebe o Prémio Nobel, pela sua explicação do efeito fotoeléctrico em 1905. 1946: Russel Ohl patenteia a moderna célula fotovoltaica de junção-PN”; 1950: A Bell Labs produz as primeiras células fotovoltaicas para uso espacial. 1954: Bell Labs anuncia o desenvolvimento da primeira célula fotovoltaica de silício, com eficiência em torno de 6%. Energia Solar fotovoltaica  História
  14. 14. Energias Renováveis: Energia Solar Fotovoltaica 03/12/2015 Por : Luís Timóteo 14 1954: O jornal americano “The New York Times” noticia que as ‘células solares’ levarão o mundo a uma fonte de energia ilimitada, vinda do Sol. 1955: Western Electric licencia a tecnologia comercial para a fabricação de células fotovoltaicas. 1955: A divisão de semicondutores da Hoffman Eletronics cria célula fotovoltaica comercial com 2% de eficiência, vendida por US$ 25, ou US$ 1,785.00 por Watt-pico (isso sim, era caro!) 1957: Hoffman Electronics produz células fotovoltaicas com 8% de eficiência (qual teria sido o preço..?) 1958: Vanguard I,o primeiro satélite artificial ‘alimentado’ por energia solar, é lançado com um painel solar de 100 cm², com 0,1 Wp de potência (uma calculadora..?) 1959: Hoffman Electronics desenvolve célula fotovoltaica comercial com 10% de eficiência, que utiliza a ‘grade de contactos’ (utilizada até hoje, para captar os electrões livres), que reduz a resistência das células. 1961: Acontece a conferência: “Solar Energy in the Developing World”, promovida pelas Nações Unidas. 1962: O satélite de comunicações “Telstar” é ‘alimentado’ por energia solar fotovoltaica. 1963: A Sharp Corporation, do Japão, produz um módulo fotovoltaico de silício cristalino economicamente viável (dava pra comprar…). 1967: O Soyuz 1 é a primeira nave espacial tripulada, alimentada com energia solar fotovoltaica. 1971: A primeira estação espacial russa (e de qualquer nacionalidade): Salyut 1, é alimentada por energia solar fotovoltaica. Energia Solar fotovoltaica  História
  15. 15. Energias Renováveis: Energia Solar Fotovoltaica 03/12/2015 Por : Luís Timóteo 15 Energia Solar fotovoltaica  História 1974: O avião não tripulado “AstroFlight Sunrise” realiza o primeiro voo utilizando energia solar fotovoltaica. Esse é o primeiro ‘avião-solar’. 1975: Na Inglaterra, é construído o primeiro barco solar (utilizável na prática). 1977: O presidente americano Jimmy Carter manda instalar painéis fotovoltaicos na Casa Branca, promovendo incentivos para os sistemas de energia solar. 1977: A produção mundial de células fotovoltaicas ultrapassa os 500 kW. 1978: A primeira ‘Tarifa Feed-In” (tarifa prémio para energia fotovoltaica) é introduzida pelo presidente americano Jimmy Carter, durante a crise energética americana. 1979: É construído o primeiro veículo aéreo tripulado e controlado, e alimentado por energia solar fotovoltaica. Produzido pela Solar Rizer, parecia um ultra-leve. 1980: O Instituto de Conversão de Energia da Universidade de Delaware desenvolve a primeira célula fotovoltaica de película-fina com eficiência de 10%. 1981: O planador-solar “Solar Challenger” cruza o Canal da Mancha em Julho. 1983: A produção mundial de energia fotovoltaica ultrapassa 21.3 Megawatts. 1985: O Centro de Engenharia Fotovoltaica da Universidade de New South Wales desenvolve uma célula fotovoltaica com 20% de eficiência. 1973: O Skylab (USA) é alimentado por energia solar fotovoltaica.
  16. 16. Energias Renováveis: Energia Solar Fotovoltaica 03/12/2015 Por : Luís Timóteo 16 1989: Primeira vez a se usar concentradores reflexivos em células fotovoltaicas. 1990: Alemanha introduz sua “Tarifa Feed-In”, para estimular o uso de energias renováveis. 1992: A Universidade de South Florida fabrica uma célula fotovoltaica de película-fina com 15,89% de eficiência. 1998: A Universidade de New South Wales exibe on-line, entre Setembro e Outubro, o ‘Advanced Photovoltaics’. (não está mais disponível). 1999: O total de sistemas fotovoltaicos instalados no mundo alcança 1.000 MegaWatts. 2000: O presidente americano George W. Bush instala um ‘sistema fotovoltaico integrado à arquitectura’ de 9 kW no sector do National Parks Service da Casa Branca. 2000: A lei da ‘Feed In Tariff’ na Alemanha sofre grande remodelação. Provou ser a política mais eficaz do mundo para acelerar a implantação de tecnologias de energias renováveis 2004: Arnold Schwarzenegger, então governador da Califórnia, propõe o “Solar Roofs Initiative”, que incentiva a instalação de um milhão de telhados fotovoltaicos até 2017. 2006: O uso de silício na industria fotovoltaica excede, pela primeira vez, o uso de silício em qualquer outra área. 1987: É fundado o “World Solar Challenge”, uma competição bienal de carros solares. Nessa competição, equipas formadas por universidades e empresas competem numa corrida de 3.021 km, que cruza o centro da Austrália, de Darwin até Adelaide. Energia Solar fotovoltaica  História
  17. 17. Energias Renováveis: Energia Solar Fotovoltaica 03/12/2015 Por : Luís Timóteo 17 2008: A Austrália implementa o sistema de Tarifa "Feed-in", incentivando a geração de energia solar fotovoltaica. 2009: A produção mundial de módulos fotovoltaicos alcança a marca de 9.340 MW. 2010: O maior estado australiano, New South Wales, introduz a mais generosa “Tarifa Feed-In” da Austrália. 2011: Queda vertiginosa de preços de dispositivos fotovoltaicos. Queda de vendas de sistemas fotovoltaicos na Europa devido á crise financeira. Empresas visam o Brasil, e fazem forte lobby para a inserção dos sistemas fotovoltaicos na América latina... Futuro: A Energia fotovoltaica gerada em desertos supre grande percentagem das necessidades no velho continente. 2007: O Vaticano anuncia a instalação de sistemas fotovoltaicos nos seus edifícios, para a conservação dos recursos da Terra: “Um extenso projecto energético que ‘se pagará’ em alguns anos”. 2007: A China produz 1.700 MW de módulos fotovoltaicos, metade da produção mundial, que foi de 3.800 MW. Energia Solar fotovoltaica  História A Energia Solar Fotovoltaica é a energia obtida através da conversão directa da luz em electricidade (Efeito Fotovoltaico). O efeito fotovoltaico, relatado por Edmond Becquerel, em 1839, é o aparecimento de uma diferença de potencial nos extremos de uma estrutura de material semicondutor, produzida pela absorção da luz. A célula fotovoltaica é a unidade fundamental no processo de conversão.
  18. 18. Energias Renováveis: Energia Solar Fotovoltaica 03/12/2015 Por : Luís Timóteo 18 Materiais Sólidos Cristalino Cristal simples Policristalino Amorfos (Non-cristalino Cristal simples, policristalinos e amorfos, são os três tipos gerais de sólidos. Física: -Semicondutores Cristalografia elementar Energia Solar fotovoltaica
  19. 19. Energias Renováveis: Energia Solar Fotovoltaica 03/12/2015 Por : Luís Timóteo 19 Sólido cristalino é a forma de uma substância sólida em que os átomos ou moléculas são dispostas num padrão definido, com repetição em três dimensões. O Germânio e o Silício possuem uma estrutura cristalina cúbica como é mostrado na seguinte figura Quando os átomos se unem para formarem as moléculas de uma substância, a distribuição e disposição desses átomos pode ser ordenada e organizada e designa-se por estrutura cristalina. Átomo de silício Células Fotovoltaicas Cristalografia elementar Física: -Semicondutores
  20. 20. Energias Renováveis: Energia Solar Fotovoltaica 03/12/2015 Por : Luís Timóteo 20  Policristal é um material constituído por um agregado de muitos pequenos cristais simples (também chamados de cristalitos ou grãos). Material policristalino tem um elevado grau de ordem ao longo de muitas dimensões atómicas ou moleculares. Estrutura cristal Policristalino forma de pirite (Grãos) Células Fotovoltaicas Física: -Semicondutores Cristalografia elementar
  21. 21. Energias Renováveis: Energia Solar Fotovoltaica 03/12/2015 Por : Luís Timóteo 21  Amorfo-Sólido (não cristalino) é constituído por átomos orientados aleatoriamente, iões, ou moléculas que não formam padrões definidos ou estruturas reticulares. Os materiais amorfos têm ordem apenas em poucas dimensões atómicas ou moleculares. Os materiais amorfos não têm qualquer ordem de longo alcance, mas eles têm diferentes graus de ordem de curto alcance. Exemplos para os materiais amorfos incluem silício amorfo, plásticos e vidros. O silício amorfo pode ser usado ​​em células solares e nos transistores de película fina. Células Fotovoltaicas Física: -Semicondutores Cristalografia elementar
  22. 22. Energias Renováveis: Energia Solar Fotovoltaica 03/12/2015 Por : Luís Timóteo 22 Distância interatómica Orbitais SEMICONDUTOR Banda de Condução 6eV ISOLANTE CONDUTOR Banda de Valência Um elemento comporta-se como condutor ou como isolante, dependendo do campo eléctrico em que se encontra. Os elementos químicos semicondutores da tabela periódica, indicam-se na tabela seguinte. Elemento Grupo Electrões na última camada Cd 12 (II A) 2 e- Al, Ga, B, In 13 (III A) 3 e- Si, Ge 14 (IV A) 4 e- P, As, Sb 15 (V A) 5 e- Se, Te, (S) 16 (VI A) 6 e- Células Fotovoltaicas Física: -Semicondutores
  23. 23. Energias Renováveis: Energia Solar Fotovoltaica 03/12/2015 Por : Luís Timóteo 23 Embora os electrões “sejam utilizados” na banda de valência em que "quase todos os estados de energia da banda de valência são preenchidos com electrões", devemos supor que o termo geralmente significa electrões da banda de condução. Lacunas ou Buracos são os vazios de electrões na banda de valência. Electrões e buracos transportam carga negativa e positiva (± q), respectivamente. O mínimo de energia de electrões da Banda de condução é Ec. Qualquer energia acima de Ec é a energia cinética de electrões. Os Electrões podem ganhar energia por aceleração através de um campo elétrico e perder energia através de colisões com as imperfeições no cristal. Banda de valência Banda de valência - Electrões Buracos  Ambos os electrões e buracos (ou lacunas) tendem a ocupar posições de mais baixa de energia. Na localização inferior no diagrama de energia encontra-se o nível mais elevado de energia para as lacunas ou buracos chamada banda de valência e, é requerida energia para mover um buraco "para baixo", porque que é equivalente a mover um electrão para cima. Ev é a energia mínima buraco. Células Fotovoltaicas Física: -Semicondutores Electrões VS Lacunas (buracos):
  24. 24. Energias Renováveis: Energia Solar Fotovoltaica 03/12/2015 Por : Luís Timóteo 24 Células Fotovoltaicas Física: -Semicondutores Termos  Fermi level EF: Limite entre os estados de energia ocupados e não-ocupados á temperatura de T = 00 K (zero absoluto).  Banda de Valência BV: Banda de energia completamente ocupada, logo abaixo do nível de Fermi com T = 0 oK, onde os electrões estão "fixos" (fortemente ligados) no interior da sua estrutura atómica.  Banda de Condução BC: Banda de energia logo acima da banda de valência, onde os electrões podem se mover "livremente“.  BandGap ou Zona Proibida EG: distância entre a banda de valência e a banda de condução.
  25. 25. Energias Renováveis: Energia Solar Fotovoltaica 03/12/2015 Por : Luís Timóteo 25 Células Fotovoltaicas Física: -Semicondutores Energia do Electrão:  Á temperatura de T = 00K (zero absoluto) os electrões ocupam os níveis de energia mais baixos possíveis . Eles podem ganhar energia de duas formas:  Energia térmica: kT (k = Constante de Boltzmanns, 1.381x10-23 J / K, T = temperatura absoluta, em Kelvin).  Absorção quantum da luz: h (h = Constante de Plancks, h = 6.626x10-34 Js,  = frequência quantum da luz em s-1). Se a energia absorvida pelo electrão, excede o da banda proibida, eles podem deixar a banda de valência e entrar na banda de condução. Há diversas formas de se provocar o aparecimento de pares electrão-lacuna livres no interior de um cristal semicondutor. Um deles é através da energia térmica (ou calor). Outra maneira, consiste em fazer com que um feixe de luz incida sobre o material semicondutor.
  26. 26. Energias Renováveis: Energia Solar Fotovoltaica 03/12/2015 Por : Luís Timóteo 26 Nível de FermiEg Banda de valência Banda de condução Isolante Eg=5-10eV Semicondutor Eg=0,5-2eV Eg Banda de valência Banda de condução Banda de valência Condutor Não há Eg Banda de condução Diagrama de Bandas: A 0ºK, tanto os isolantes como os semicondutores não conduzem, já que nenhum electrão tem energia suficiente para passar da banda de valência para a banda de condução. A 300ºK, alguns electrões dos semiconductores alcançam esse nível. Ao aumento da temperatura, aumenta a condução nos semicondutores (ao contrário que nos metais). Nível de Fermi Nível de Fermi Células Fotovoltaicas Física: -Semicondutores
  27. 27. Energias Renováveis: Energia Solar Fotovoltaica 03/12/2015 Por : Luís Timóteo 27 Os Semicondutores têm uma resistividade/resistência entre a dos condutores e os isoladores. Os seus electrões da última camada ( electrões de valência), não são livres para se mover, mas um pouco de energia vai libertá-los para a condução… O semicondutor mais comuns é o silício… O silício tem uma valência de quatro ou seja, quatro electrões na sua camada externa. Cada átomo de silício, partilha os seus quatro electrões externos, com os quatro átomos vizinhos!... Estes electrões compartilhados – de ligação - são mostrados como linhas horizontais e verticais entre os átomos (ligações covalentes). Semicondutor Intrínseco: Células Fotovoltaicas Física: -Semicondutores
  28. 28. Energias Renováveis: Energia Solar Fotovoltaica 03/12/2015 Por : Luís Timóteo 28 EnergiadoElectrão EF Banda de Valência Banda de Condução + - h Geração + - h Recombinação Células Fotovoltaicas Física: -Semicondutores Semicondutor Intrínseco: Emissão e Absorção de Energia Vista de Bandas de energia
  29. 29. Energias Renováveis: Energia Solar Fotovoltaica 03/12/2015 Por : Luís Timóteo 29 Células Fotovoltaicas Física: -Semicondutores Semicondutor Intrínseco: Estados de energia – Propriedades físicas Ponto de vista térmico: Quanto maior a banda proibida (Bandgap), menor é a condutividade. O aumento da temperatura reduz a resistência eléctrica (NTC, negativo temperatura coeficiente de resistência). Ponto de vista óptico: quanto maior for a banda proibida, menor é a absorção quântica de luz. Aumentando a irradiação de luz diminui a resistência eléctrica (LDR).
  30. 30. Energias Renováveis: Energia Solar Fotovoltaica 03/12/2015 Por : Luís Timóteo 30 Silício : Si - Descobridor : Jöns Jacob Berzelius (1779-1848) (Sueco) Ano : 1823 No estado puro, tem propriedades Físicas e Químicas parecidas com as do Diamante. Sob a forma de Dióxido de silício (sílica) [SiO2] é encontrado na natureza numa variedade de formas: quartzo, ágata, jaspe, ônix, esqueletos de animais marinhos…. A sua estrutura cristalina dá-lhe propriedades semicondutoras. No estado muito puro e com pequenas quantidades (dopagem) de elementos tais como o boro, o fósforo e o arsénio é o material de base para a construção de chips da actual electrónica …. E não só Silício Células Fotovoltaicas Física: -Semicondutores: - O Silício
  31. 31. Energias Renováveis: Energia Solar Fotovoltaica 03/12/2015 Por : Luís Timóteo 31  As células fotovoltaicas são fabricadas á base se semicondutores de silício. A fabricação de componentes exige uma pureza de 99,9999999%; isto significa um átomo estranho presente em cada 1000 milhões de átomos de silício. (Pureza de 1 em 109) ( Cadinho -Vaso para fundir metais)  Quando purificado, o silício é cinza-escuro. Para a produção de transístores e circuitos integrados ou células fotovoltaicas, em geral, o silício não é extraído de nenhum mineral. Ele é produzido artificialmente, em equipamentos de alta pressão chamados autoclaves. Ele é produzido em lingotes circulares, que são posteriormente "fatiados". Células Fotovoltaicas Física: -Semicondutores: - O Silício
  32. 32. Energias Renováveis: Energia Solar Fotovoltaica 03/12/2015 Por : Luís Timóteo 32 Silício fundido  Girando um ponteiro com um cristal “semente” mergulhado lentamente em silício fundido.  Puxando para cima lentamente, permite ao silício se cristalizar na camada “semente”.  Uma vez que tenha o tamanho desejado, o cristal é puxado mais rápido para manter o diâmetro necessário. Células Fotovoltaicas Técnica de Czocharlski : Purificação do Silício Física: -Semicondutores: - O Silício - Purificação
  33. 33. Energias Renováveis: Energia Solar Fotovoltaica 03/12/2015 Por : Luís Timóteo 33 A finalidade é dotar os semicondutores de propriedades de semicondução controlada específica (presença maioritária de portadores de carga do tipo P, as lacunas, ou do tipo N, os electrões, para aplicação em circuitos fotovoltaicos e em dispositivos electrónicos.. Quando são adicionadas impurezas a um semicondutor puro (intrínseco) este passa a denominar-se por semicondutor extrínseco. Na prática, contudo, necessitamos de um semicondutor em que o número de electrões livres seja bem superior ao número de lacunas, ou onde o número de lacunas seja bem superior ao número de electrões livres. Isto é conseguido tomando-se um cristal semicondutor puro (intrínseco) e adicionando-se a ele (dopagem), por meio de técnicas especiais, uma determinada quantidade de outros tipos de átomos, aos quais chamamos de impurezas. As impurezas usadas na dopagem de um semicondutor intrínseco podem ser de dois tipos: impurezas ou átomos dadores (Pentavalentes - Arsénio (AS), Fósforo (P) ou Antimónio (Sb), P B e impurezas ou átomos aceitadores (Trivalentes - Índio (In), Gálio (Ga), Boro (B) ou Alumínio (Al). Células Fotovoltaicas Física: -Semicondutores- A Dopagem
  34. 34. Energias Renováveis: Energia Solar Fotovoltaica 03/12/2015 Por : Luís Timóteo 34 A fim de evitar a recombinação de cargas foto-induzidas, e "extrair" sua energia para um dispositivo eléctrico, precisamos de um tipo de barreira interna. Isto pode ser conseguido por dopagem de semicondutores: IIIB IVB VB Si 14 B 5 P 15 "Dopagem", neste caso, significa a substituição de átomos do material semicondutor original (por exemplo, Si) por outros diferentes (com uma configuração de electrões ligeiramente diferente). Semicondutores como o Silício, têm quatro electrões covalentes, a dopagem é feita, por exemplo com Boro (B) ou fósforo(P). Células Fotovoltaicas Física: -Semicondutores- A Dopagem
  35. 35. Energias Renováveis: Energia Solar Fotovoltaica 03/12/2015 Por : Luís Timóteo 35 Si Si Si Si Si Si Si Si Si Impurezas do grupo V da tabela periódica: P Fósforo P  É necessária muito pouca energia para ionizar o átomo de P. + Á temperatura ambiente todos os átomos de impurezas se encontram ionizados. A introdução de átomos pentavalentes (como o Fosforo) num semicondutor puro (intrínseco) faz com que apareçam electrões livres no seu interior. Como esses átomos fornecem (doam) electrões ao cristal semicondutor eles recebem o nome de impurezas dadoras ou átomos dadores. Todo o cristal de Silício ou Germânio, dopado com impurezas dadoras é designado por semicondutor do tipo N (N de negativo, referindo-se à carga do electrão). + Si Dopagem – N Células Fotovoltaicas Física: -Semicondutores- A Dopagem
  36. 36. Energias Renováveis: Energia Solar Fotovoltaica 03/12/2015 Por : Luís Timóteo 36 P P P P P P P P P P P P P P P P Impurezas grupo V 300ºK + + + + + + + + + + + + + + + + Electrões livres  Carga móvel Átomos de impurezas Ionizados Carga estática Os portadores maioritários de carga num semicondutor tipo N são os electrões livres. Actuam como portadores de carga negativa. Lacunas livres Carga móvel A energia necessária para ionizar um átomo doador (isto é, para libertar o electrão adicional e deixar para trás um ião positivo), pode ser estimada através da modificação da teoria de energia de ionização de um átomo de hidrogénio…. 22 0 4 0 ion h8 qm E   A modificação consiste em substituir ε0 com 12ε0 (onde 12 é o permissividade relativa de silício) e recolocar m0 com a massa efectiva do electrão, mn… Dopagem – N Células Fotovoltaicas Física: -Semicondutores- A Dopagem
  37. 37. Energias Renováveis: Energia Solar Fotovoltaica 03/12/2015 Por : Luís Timóteo 37 Si Si Si Si Si Si Si Si Si P+ - n-Silício semicondutor - Vista do Cristal Banda de Condução Banda de Valência EF - - - - - P+ P+ P+ P+ P+ Transportadores maioritário Nível do dador Dopagem – N Células Fotovoltaicas Física: -Semicondutores- A Dopagem Vista de Bandas de energia
  38. 38. Energias Renováveis: Energia Solar Fotovoltaica 03/12/2015 Por : Luís Timóteo 38 Si Si Si Si Impurezas do grupo III da tabela periódica: Boro (B)  É necessária muito pouca energia para ionizar o átomo de B. Á temperatura ambiente todos os átomos de impurezas se encontram ionizados. A introdução de átomos trivalentes (como o de Boro) num semicondutor puro (intrínseco) faz com que apareçam lacunas livres no seu interior. Como esses átomos recebem (ou aceitam) electrões eles são denominados impurezas aceitadoras ou átomos aceitadores. Todo o cristal puro de Silício ou Germânio, dopado com impurezas aceitadoras é designado por semicondutor do tipo P (P de positivo, referindo-se à falta da carga negativa do electrão). Si Si Si SiSi + B - Dopagem – P Células Fotovoltaicas Física: -Semicondutores- A Dopagem
  39. 39. Energias Renováveis: Energia Solar Fotovoltaica 03/12/2015 Por : Luís Timóteo 39 b B B B B B B B B B B B B B B B Impurezas grupo III 300oK - - - - - - - - - - - - - - - - Lacunas livres Átomos de impurezas ionizados Os portadores maioritários de carga num semicondutor tipo P são Lacunas. Actuam como portadores de carga positiva. Num semicondutor extrínseco do tipo P as lacunas estão em maioria designando-se por portadores maioritários da corrente eléctrica. Os electrões, por sua vez, estão em minoria e designam-se por portadores minoritários da corrente eléctrica. Dopagem – P Células Fotovoltaicas Física: -Semicondutores- A Dopagem
  40. 40. Energias Renováveis: Energia Solar Fotovoltaica 03/12/2015 Por : Luís Timóteo 40 Si Si Si Si Si Si Si Si Si p-Silício semicondutor B- + + Banda de Condução Banda de Valencia EF B- B- B- B- B- Transportadores maioritário Nível do aceitador + + + + + Vista do Cristal Dopagem – P Células Fotovoltaicas Física: -Semicondutores- A Dopagem Vista de Bandas de energia
  41. 41. Energias Renováveis: Energia Solar Fotovoltaica 03/12/2015 Por : Luís Timóteo 41 Células Fotovoltaicas Física: -Semicondutores- A Junção P-N  Uma Célula solar é uma junção PN ou um diodo, de grande área : os electrões podem fluir numa direcção, mas não na outra (geralmente)… P N  Criada por uma variação de portadores de carga em função da sua posição.  Os Portadores (electrões e lacunas ou buracos) são criados por material dopante. N: grupo V (Fósforo) adiciona (electrão extra  Negativo). P: Grupo III (Boro) subtrai (falta de electrão  Positivo) Sentido convencional da corrente Uma "válvula de retenção" eléctrica Não há corrente eléctrica P – parte positiva N – parte negativa
  42. 42. Energias Renováveis: Energia Solar Fotovoltaica 03/12/2015 Por : Luís Timóteo 42 Células Fotovoltaicas Física: -Semicondutores- Criação da Junção P-N  Alta concentração de electrões no lado – N.  Alta concentração de lacunas ou buracos no lado – P.  Os electrões difundem-se do lado N para o lado P.  Os electrões recombinam-se com lacunas ou buracos (enchimento dos estados da banda de valência).  Os átomos dopantes neutros (P - fosforo), no lado N, cedem um electrão e tornam-se iões positivos.  Os átomos dopantes neutros (B - Boro), no lado P, capturam um electrão e tornam-se iões negativos.
  43. 43. Energias Renováveis: Energia Solar Fotovoltaica 03/12/2015 Por : Luís Timóteo 43 Si Si Si Si Si Si Si Si Si P Si Si Si Si Si Si Si Si Si P Si Si P Si Si Si Si Si Si Si Si Si Si Si Si P P P P B B B B B B B Células Fotovoltaicas Carga + + + + + + + - - - - - - - Física: -Semicondutores- Criação da Junção P-N
  44. 44. Energias Renováveis: Energia Solar Fotovoltaica 03/12/2015 Por : Luís Timóteo 44 Células Fotovoltaicas Física: -Semicondutores- Junção P-N: Criação do Campo eléctrico  Os campos eléctricos são produzidos pela distribuição de cargas.  O fluxo dos Campos flui das cargas positivas (protões, iões positivos, buracos) em direcção às cargas negativas (electrões, iões negativos).  Movimento das Cargas livres em campos eléctricos: Positivo no sentido dos campos (lacunas ou buracos). Negativo, oposto ao campo eléctrico (electrões) Criação da Zona de deplexão  Os iões dopantes locais deixados para trás, perto da junção, criam uma área de campo eléctrico chamada região de deplexão.  Qualquer portador livre será varrido para fora da região de deplexão pelas forças criadas pelo campo eléctrico (empobrecido de portadores livres).  A área de deplexão cresce, até alcançar um equilíbrio em que o campo eléctrico criado pára, a difusão de electrões.
  45. 45. Energias Renováveis: Energia Solar Fotovoltaica 03/12/2015 Por : Luís Timóteo 45 Células Fotovoltaicas Física: -Semicondutores- Junção P-N: Criação dum potencial  As mudanças no campo eléctrico criam uma barreira potencial que pára a difusão de electrões a partir do lado N para o lado P.  A junção pn tem incorporado um potencial (voltagem) que é uma função das concentrações de dopagem das duas áreas. Ec EV Ei EFp EFn - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + Junção P-N: em equilíbrio Térmicop:NA n:ND
  46. 46. Energias Renováveis: Energia Solar Fotovoltaica 03/12/2015 Por : Luís Timóteo 46 + + + + - - - + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - p:NA n:ND Ec EV Ei EFp EFn qVbi Células Fotovoltaicas Física: -Semicondutores- Junção P-N: Equilíbrio Térmico
  47. 47. Energias Renováveis: Energia Solar Fotovoltaica 03/12/2015 Por : Luís Timóteo 47 + + + + - - - + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - p:NA n:ND r E V dp dn +qND -qNA Voltagem Built-in Células Fotovoltaicas Física: -Semicondutores- Junção P-N: Equilíbrio Térmico
  48. 48. Energias Renováveis: Energia Solar Fotovoltaica 03/12/2015 Por : Luís Timóteo 48 Células Fotovoltaicas Física: -Semicondutores- Junção P-N: Funcionamento  Quando a luz solar é absorvida pela célula, ela desequilibra o equilíbrio através da criação de pares de electrões-lacunas excessivos.  O campo interno separa os electrões das lacunas ou buracos.  A luz solar produz uma tensão superior, opondo-se ao campo eléctrico na região de deplexão interna, no que resulta num fluxo de electrões nos condutores do circuito externo. Efeito Fotovoltaico Absorção de luz Criação de pares electrão lacuna extra (EHP) Voltagem (V) Corrente (I) Power = V x I Excitação de electrões Movimento de cargas pelo Campo Eléctrico Separação de lacunas e electrões pelo Campo Eléctrico  No silício, os electrões precisam superar a barreira de potencial de 0,5 - 0,6 volts  quaisquer electrões produzidos (electricidade), serão produzidos a esta tensão.
  49. 49. Energias Renováveis: Energia Solar Fotovoltaica 03/12/2015 Por : Luís Timóteo 49 Lado N: Muitos Electrões Poucas lacunas Lado P: Muitas lacunas Poucos electrões Região de Deplexão Banda de Condução Banda de Valência DRIFT = DIFUSÃO  A Barreira de potencial impede que a maioria dos portadores de saiam desta área. Células Fotovoltaicas Física: -Semicondutores- Junção P-N: Funcionamento em equilíbrio
  50. 50. Energias Renováveis: Energia Solar Fotovoltaica 03/12/2015 Por : Luís Timóteo 50 Lado N: Muitos Electrões Poucas lacunas Lado P: Muitas lacunas Poucos electrões Região de Deplexão Banda de Condução Banda de Valência  Reduz a barreira de potencial.  Permite grande corrente de difusão. Células Fotovoltaicas Física: -Semicondutores- Junção P-N: Funcionamento c/polarização directa
  51. 51. Energias Renováveis: Energia Solar Fotovoltaica 03/12/2015 Por : Luís Timóteo 51 Lado N: Muitos Electrões Poucas lacunas Lado P: Muitas lacunas Poucos electrões Região de Deplexão Banda de Condução Banda de Valência  Aumenta a barreira de potencial.  Muito pouca corrente de difusão. Células Fotovoltaicas Física: -Semicondutores- Junção P-N: Funcionamento c/polarização inversa
  52. 52. Energias Renováveis: Energia Solar Fotovoltaica 03/12/2015 Por : Luís Timóteo 52 Voltagem Corrente Polarização Directa Polarização Inversa Crescimento exponencial          10 kT qV eII Células Fotovoltaicas Física: -Semicondutores- Junção P-N: Funcionamento –características I/V
  53. 53. Energias Renováveis: Energia Solar Fotovoltaica 03/12/2015 Por : Luís Timóteo 53 Lado N: Muitos Electrões Poucas lacunas Lado P: Muitas lacunas Poucos electrões Região de Deplexão Banda de Condução Banda de Valência  EHP são gerados ao longo do dispositivo quebrando o equilíbrio causando fluxo de corrente . Células Fotovoltaicas Física: -Semicondutores- Junção P-N: Funcionamento  Comportamento do diodo em “Não equilíbrio” – geração EHP
  54. 54. Energias Renováveis: Energia Solar Fotovoltaica 03/12/2015 Por : Luís Timóteo 54 Voltagem Corrente Escuro 2 vezes mais luz = dobro da Corrente Corrente da Absorção de fotões de luz L kT qV IeII          10 Células Fotovoltaicas Física: -Célula Fotovoltaica- Característica I-V
  55. 55. Energias Renováveis: Energia Solar Fotovoltaica 03/12/2015 Por : Luís Timóteo 55 Base tipo -P Emissor tipo -N Região de Deplexão Campo- E Região-P neutra Região –N neutra Onda Longa DifusãoDeriva Le Onda Média Onda Curta Difusão Deriva Lh Região Active = Lh + W + Le  heL LWLqAGI  Células Fotovoltaicas Física: -Célula Fotovoltaica- Região Activa
  56. 56. Energias Renováveis: Energia Solar Fotovoltaica 03/12/2015 Por : Luís Timóteo 56 Células Fotovoltaicas Física: -Célula Fotovoltaica
  57. 57. Energias Renováveis: Energia Solar Fotovoltaica 03/12/2015 Por : Luís Timóteo 57 Difusão: Das zonas de elevada concentração de portadores, para zonas de baixa concentração de portadores (na sequência de um gradiente de potencial electroquímico). Deriva: Accionada por um campo electrostático estabelecido através do dispositivo. Células Fotovoltaicas Separação de portadores de cargas na Junção P / N Física: -Célula Fotovoltaica- Região Activa
  58. 58. Energias Renováveis: Energia Solar Fotovoltaica 03/12/2015 Por : Luís Timóteo 58 • Proporcional a: – Área da célula (A) • Células maiores – Taxa de geração de pares “Electrão-Lacuna” (G) • Intensidade da luz – Área Activa (Le + W + Lh) • Maior comprimento de difusão (materiais muito puros)  heL LWLqAGI  Células Fotovoltaicas Intensidade da corrente Física: -Célula Fotovoltaica- Região Activa
  59. 59. Energias Renováveis: Energia Solar Fotovoltaica 03/12/2015 Por : Luís Timóteo 59 RP RSid VD Fonte de Corrente iph  iph: Fotocorrente da célula solar. id /VD: Corrente e voltagem interna da junção p-n do diodo. RP: Resistência shunt devido à heterogeneidade da superfície e perda de corrente RS: Resistência em série devido à resistência do material de silício e material de Células Fotovoltaicas Física: -Célula Fotovoltaica- Circuito equivalente nas extremidades de células solares. contacto. P S ph SS R IRV I kTn IRVe I kTn IRVe II )( )1 )( (exp)1 )( (exp 2 02 1 01                 I Voc VOC: Voltagem da célula solar em circuito aberto.
  60. 60. Energias Renováveis: Energia Solar Fotovoltaica 03/12/2015 Por : Luís Timóteo 60 RP RSiD VD Fonte de Corrente iph Células Fotovoltaicas Física: -Célula Fotovoltaica- Circuito equivalente I Voc I0 Corrente de saturação. n Factor ideal. k Constante de Boltzmann. Isc Corrente em curto circuito. Voc Voltagem em circuito abert ph nkT eU IeII  )1(0  Isc = -Iph para V = 0         0 1ln I II T e nk V ph  para I = 0        0 ln I I e nkT V sc oc
  61. 61. Energias Renováveis: Energia Solar Fotovoltaica 03/12/2015 Por : Luís Timóteo 61 FF Células Fotovoltaicas Física: -Célula Fotovoltaica- Características I-Corrente P-potência V-Voltagem VOC Tensão em circuito aberto Ponto de Potência máxima VmpCorrente de curto circuito Isc Imp iD RP RS V VOC Símbolo Parâmetros Importantes ISC: Corrente em curto-circuito. VOC: Tensão em circuito aberto. Imp: Corrente à máxima potência. Vmp: Tensão à máxima potência. PMP: Potência máxima = Imp.Vmp. FF: Fill factor- Factor de forma = PPMP/(ISC.VOC). Ponto de Máxima potência (PMP) Depende de: • Temperatura. • Irradiância. • Caracteristicas da célula Solar ocsc MPMP VI VI FF  Fill factor  Performance da célula solar
  62. 62. Energias Renováveis: Energia Solar Fotovoltaica 03/12/2015 Por : Luís Timóteo 62 [V Circuito Equivalente Simplificado Características Células Fotovoltaicas Física: -Célula Fotovoltaica- Circuito equivalente ID RP RS Escuro Iluminada PMP VOC ISC Onde: 1.)VOC – Voltagem em circuito aberto 2.) ISC – (Foto) corrente em curtocircuito 3.) FF – Factor de forma (Fill Factor). 4.) PMP – Ponto de Máxima Potência. 5.) VMP – Voltagem no PMP. 6.) IMP – Fotocorrente no ponto PMP. A eficiência de conversão de energia: in OCSC P VIFF ..  OCSC PMP VI P FF .   circuito equivalente de uma célula solar diz-nos para mantermos: -A resistência RP paralelo, tão grande quanto possível. - A resistência em série RS tão pequena quanto possível. V VOC Símbolo ocsc MPMP VI VI FF 100 P FFVI Solar ocsc  )]cmmWdiância(nm)][irraOnda[Comp )cmAtefotocorrendeadenm][DensideV[1240 teses incidenNº de fotõ rnocuito extevés do cirtrões atraNº de elec IPCE 2 2     (. ](
  63. 63. Energias Renováveis: Energia Solar Fotovoltaica 03/12/2015 Por : Luís Timóteo 63 • Voltagem em circuito aberto V0, ou VOC: • Esta é a tensão interna do diodo. • Aumenta rapidamente com irradiação inicial. • Típico para Silício : 0,5...0,9V. • Diminui em 0,4% por grau Kelvin.  Características Células Fotovoltaicas Física: -Célula Fotovoltaica- • Corrente em curto circuito ISC , I0 ou IK: • Principalmente proporcional à irradiação • Aumenta em 0,07% por grau Kelvin. • Potência (MPP, Ponto de Máxima Potência ) • VMPP  (0,75 ... 0,9) VOC • IMPP  (0,85 ... 0,95) ISC • Potência diminui em 0,4% por grau Kelvin. •A potência nominal de uma célula é medida em condições de teste definidos internacionalmente: (I0 = 1000 W/m2, Tcell = 25°C, AM 1,5) em WP (Watt pico).        1 I I q AkT V O L OC ln
  64. 64. Energias Renováveis: Energia Solar Fotovoltaica 03/12/2015 Por : Luís Timóteo 64 h Células Fotovoltaicas Física: -Célula Fotovoltaica- Efeito Fotoeléctrico - ++ - 1. Absorbção de luz. 2. Geração de cargas livres. 3. Efectiva separação das cargas. Resultado: Produção de energia eléctrica por absorção da luz. As células fotovoltaica são dispositivos semicondutores de silício, similares em muitas maneiras aos diodos e transistores electrónicos baseados no efeito fotoeléctrico. A Energia Solar Fotovoltaica é a energia obtida através da conversão directa da luz em electricidade (Efeito Fotovoltaico). O efeito fotovoltaico, relatado por Edmond Becquerel, em 1839, é o aparecimento de uma diferença de potencial nos extremos de uma estrutura de material semicondutor, produzida pela absorção da luz. A célula fotovoltaica é a unidade fundamental do processo de conversão.
  65. 65. Energias Renováveis: Energia Solar Fotovoltaica 03/12/2015 Por : Luís Timóteo 65 Radiação Solar Aprox. 0.58V DC i Fluxo de Electrões Símbolo do célula fotovoltaica (PV) Células Fotovoltaicas Física: -Célula Fotovoltaica- Estrutura e Funcionamento Fitas metálicas condutoras Lente de vidro Electrões -ve Substrato base Lacunas +ve Silício tipo-N Camada de deplexão Silício tipo-P As células fotovoltaica são dispositivos semicondutores de silício, similares em muitas maneiras aos diodos e transistores electrónicos baseados no efeito fotoeléctrico.
  66. 66. Energias Renováveis: Energia Solar Fotovoltaica 03/12/2015 Por : Luís Timóteo 66 +- N P Carga Externa Contacto traseiro Contacto Frontal Revestimento antireflexo A absorção do fotão cria um par electrão/lacuna. Se eles estão dentro do comprimento de onda de difusão da região de deplexão, o campo eléctrico separa-os. Os electrões, depois de passarem através da carga recombinam-se com as lacunas, completando o circuito. Células Fotovoltaicas Física: -Célula Fotovoltaica- Funcionamento
  67. 67. Energias Renováveis: Energia Solar Fotovoltaica 03/12/2015 Por : Luís Timóteo 67 Silício matéria-prima Lingote Crescido Fatiamento Fabrico de célulasEncapsulamento de MódulosSistema fotovoltaico Células Fotovoltaicas O Silício -Fabrico de Células fotovoltaicas
  68. 68. Energias Renováveis: Energia Solar Fotovoltaica 03/12/2015 Por : Luís Timóteo 68 Amorfos Cristalino Non-cristalino Gallium Arsenide (GaAs) Monocristalino Policristalino Eficiência de Conversão do Módulo 10 - 17% 10 - 13% 7 - 10% 18 - 30% Eficiência de conversão ()= Energia eléctrica de saída Energia de insolação na célula x 100% Dye-sensitized Type Organic Thin Layer Type 7 - 8% 2 - 3% Silicon Semiconductor Semicondutor Composto Semicondutor Orgânico Células Fotovoltaicas Tipos de Células solares Célula Solar
  69. 69. Energias Renováveis: Energia Solar Fotovoltaica 03/12/2015 Por : Luís Timóteo 69 Células Fotovoltaicas Factos solares As células fotovoltaica são dispositivos semicondutores de silício similares em muitas maneiras aos diodos e transistores electrónicos. Produzem electricidade através da conversão da energia solar gerada a partir do sol, sob a forma de luz visível ou ultravioleta (UV) ou radiação infravermelha (IR), numa corrente DC, utilizando a acção da célula fotovoltaica, sem o uso de partes móveis. A Energia solar também é muito amiga do ambiente, uma vez que não produz poluição ou resíduos subprodutos, nenhuma poluição do ar ou da água, e é completamente silenciosa, o que a torna ideal para um futuro mais verde. Um dos tipos mais comuns de célula solar fotovoltaica é feito de semicondutores de silício, especialmente tratadas, e, por conseguinte, é conhecida como uma célula solar de silício fotovoltaico. A luz solar é limpa, fácil de aproveitar e está disponível gratuitamente em todo o mundo, com o único custo envolvido estar no custo do próprio painel solar, fazendo com que a energia solar seja uma escolha ideal para a geração de electricidade para consumo local (microgeração). Factos solares:  A Terra recebe mais energia do sol em apenas uma hora do que o mundo usa em um ano inteiro.  1% das terras utilizadas hoje para cultivos e pastagens poderia suprir o consumo total de energia do mundo.  O Sol fornece 1000 Watts / m² de potência de pico no nível do mar, uma célula com eficiência 10% produz ~ 100W/m2.
  70. 70. Energias Renováveis: Energia Solar Fotovoltaica 03/12/2015 Por : Luís Timóteo 70 Produção: 86%  38.3% Si Monocristalino.  47.7% Si Multicristalino. • Eficiência limite 31% • Si Monocristalino- 16-19% eficiência. • Si Multicristalino-- 14-15% eficiência. • Melhor eficiência SunPower Inc 22%.  Em constante evolução…Primeira Geração Energia Solar: Vários tipos de células fotovoltaicas… – Single Junction Silicon Cells Vidro Contactos Si- tipo- N Si- tipo- P Contacto
  71. 71. Energias Renováveis: Energia Solar Fotovoltaica 03/12/2015 Por : Luís Timóteo 71 A célula solar fotovoltaica é um bloco de construção individual de um painel solar. Imagine-a como um elemento pequeno, e o painel é uma rede de energia em miniatura, combinando 60 células.  Células Monocristalinas Estas foram as primeiras fotocélulas a serem elaboradas a partir de um bloco de silício cristalizado num único cristal. Apresentam-se sob a forma de placas redondas, quadradas ou pseudo quadradas. O seu rendimento é de 16% a 28%. Contudo, apresentam dois inconvenientes:  Preço elevado.  Elevado período de retorno do investimento. Linhas metálicas, também conhecidas como dedos e barramentos, são impressas na superfície da célula para “colectar” a electricidade e alimentá-la através de um painel e por meio de um circuito, ligar o painel os painéis à rede de energia eléctrica ou dentro de um sistema solar privado para uso independente ... Células Fotovoltaicas
  72. 72. Energias Renováveis: Energia Solar Fotovoltaica 03/12/2015 Por : Luís Timóteo 72  Uma célula PV tem aproximadamente 150 milímetros de diâmetro.  Com luz solar, cada célula produz uma tensão DC de cerca de 0,4V DC.  Um módulo é um conjunto de cerca de 30 células (12 VDC.)  As células podem ser ligadas entre si em série/paralelo, para produzirem a tensão desejada.  Esperança de vida é de cerca de 25 anos.  Custo varia entre €300 - €600/ m2. Células Fotovoltaicas  Células solares Monocristalinas Têm o melhor rendimento eléctrico é (aproximadamente 16%, podendo subir até cerca de 28% em laboratório), mas as técnicas utilizadas na sua produção são complexas e caras. Por outro lado, é necessária uma grande quantidade de energia na sua fabricação, devido à exigência de utilizar materiais em estado muito puro e com uma estrutura de cristal.
  73. 73. Energias Renováveis: Energia Solar Fotovoltaica 03/12/2015 Por : Luís Timóteo 73 Cada técnica produz cristais com características específicas, incluindo tamanho, morfologia e concentração de impurezas. Ao longo dos anos, o processo de fabricação tem alcançado eficiência máxima de 13% em escalas industriais.  Células solares Policristalinas  As células de silício Policristalino são mais baratas que as de silício monocristalina por exigirem um processo de preparação das células menos rigoroso. A eficiência, no entanto, cai um pouco em comparação as células de silício monocristalino. O processo de pureza do silício utilizada na produção das células de silício policristalino é similar ao processo do Si monocristalino, o que permite obtenção de níveis de eficiência compatíveis. Basicamente, as técnicas de fabricação de células policristalinas são as mesmas na fabricação das células monocristalinas. Podem ser preparadas pelo corte de um lingote, de fitas ou depositando um filme num substrato, tanto por transporte de vapor como por imersão. Nestes dois últimos casos só o silício policristalino pode ser obtido. Células Fotovoltaicas
  74. 74. Energias Renováveis: Energia Solar Fotovoltaica 03/12/2015 Por : Luís Timóteo 74  Células solares Policristalinas O seu rendimento é da ordem de 11 a 13% e possuem um custo de produção menos elevado do que as monocristalinas. Superfície frontal (Tipo-n) Película antireflexo (Azul) Eléctrodo de Alumínio (Prateado) • Muito finos para evitar sombreamento. A Superfície traseira é do tipo P. Toda a superfície traseira é um eléctrodo de alumínio com plena reflexão.  Estas células são produzidas a partir de blocos de silício obtidos por fusão de bocados de silício puro em moldes especiais. Uma vez nos moldes, o silício arrefece lentamente e solidifica-se. Neste processo, os átomos não se organizam num único cristal. Forma-se uma estrutura policristalina com superfícies de separação entre os cristais. Células Fotovoltaicas
  75. 75. Energias Renováveis: Energia Solar Fotovoltaica 03/12/2015 Por : Luís Timóteo 75  Células solares Policristalinas As células policristalinas têm um custo de produção inferior por necessitarem de menos energia no sua fabricação , mas apresentam um rendimento eléctrico inferior (entre 11% e 13%, obtendo-se até 18% em laboratório). Esta redução de rendimento é causada pela imperfeição do cristal, devido ao sistema de fabricação. No entanto, tendo em conta a relação eficiência/preço, são talvez as mais utilizadas na produção de energia fotovoltaica… Células Fotovoltaicas
  76. 76. Energias Renováveis: Energia Solar Fotovoltaica 03/12/2015 Por : Luís Timóteo 76  Células solares de Silício O Silício multicristalino, é o mais largamente utilizado comercialmente, devido sua relação eficiência/Custo. Na primeira geração existem dois tipos de células solares de silício : Monocristalino; Multicristalino ou Policristalino Silício monocristalino tem a mais alta eficiência de cerca de 28% actualmente, mas que é o mais caro. Multicristalinas ou Policristalinas de silício têm uma eficiência inferior, cerca de 21%, mas é um pouco menos dispendioso para produzir. Células Fotovoltaicas
  77. 77. Energias Renováveis: Energia Solar Fotovoltaica 03/12/2015 Por : Luís Timóteo 77 Revestimento antireflexo ~0,2µm ~300µm Contacto posterior (+) - - - - - - - - - - + + + + + + + + + + Região - N Região - P Zona de Deplexão -h + Contacto Frontal (-)  Composição das Células de Silício Células Fotovoltaicas
  78. 78. Energias Renováveis: Energia Solar Fotovoltaica 03/12/2015 Por : Luís Timóteo 78 fotões Tipo-N Tipo-P CargaElectrão Lacuna  Funcionamento das Células de Silício Células Fotovoltaicas
  79. 79. Energias Renováveis: Energia Solar Fotovoltaica 03/12/2015 Por : Luís Timóteo 79 Tipo-N Tipo-P Tipo-N Tipo-P Lacunas Electrões Luz Solar Fotões Corrente eléctrica Junção PN  Funcionamento das Células de Silício Células Fotovoltaicas
  80. 80. Energias Renováveis: Energia Solar Fotovoltaica 03/12/2015 Por : Luís Timóteo 80 20x-100x 500x Cu(In,Ga)Se2 ~ 1-2 um c-Si ~ 180 um Existem muitas maneiras de fabricar as células fotovoltaicas, mas os especialistas não concordam sobre qual é a melhor!....  Em constante evolução… Células Fotovoltaicas
  81. 81. Energias Renováveis: Energia Solar Fotovoltaica 03/12/2015 Por : Luís Timóteo 81 Terceira geração: *Junção p-n depende do semicondutor: *Células fotoelectroquímicas (corantes) e células de nanocristais. *Células multijunção: Várias camadas de semicondutores diferentes, com diferentes junções p-n, absorvendo largo espectro de frequências.  Em constante evolução…  Nas células fotovoltaicas da primeira geração: Uma única junção p-n; placas de silício mono ou policristalino; tecnologia comercial dominante. Desafios:  Células mais finas.  Purificação simples de Si.  Maior eficiência de conversão.  Células fotovoltaicas da Segunda geração: Uso de películas finas: silício amorfo, silício policristalino ou microcristalino, telureto de cádmio; mais baratas mas menos eficientes. Tecnologias de película fina:  Silício:. Amorfos, microcristalino, policristalino  Calcogenetos (policristalinos) :. CIS, CIGS [Cu (In,Ga) (Se,S)2], CdTe, sensibilizados a corantes, orgânicos  Vantagens: materiais de baixo custo, possibilidade de produção em larga escala, módulos totalmente integrados, estética, robustez. Células Fotovoltaicas
  82. 82. Energias Renováveis: Energia Solar Fotovoltaica 03/12/2015 Por : Luís Timóteo 82 Flexible Thin-Film Photovoltaic
  83. 83. Energias Renováveis: Energia Solar Fotovoltaica 03/12/2015 Por : Luís Timóteo 83  Em constante evolução…Segunda Geração – Thin Film Cells Produção:  6.4% CdTe.  5.1 a-Si 1.5 Si Ribbon  1% CIGS. • Novos materiais e processos para melhorar a eficiência e reduzir custos. • As células de película fina utilizam cerca de 1% dos semicondutores caros em comparação com as células da primeira geração. • Eficiência: • CdTe – 8 – 11% (18% demonstrada). • CIGS – 7-11% (20% demonstrada). ZnO:Al -Contacto ZnO CdS Cu(In,Ga,)Se2 Mo - Contacto Vidro/película Células Fotovoltaicas
  84. 84. Energias Renováveis: Energia Solar Fotovoltaica 03/12/2015 Por : Luís Timóteo 84  Células solares de 2ª Geração- Thin Film Cells : As células solares de película fina, surgiram devido aos seus baixos custos de produção e consumo mínimo de material, o que faz com que estas células sejam atraentes para a indústria. Existem três tipos de células película fina : De silício amorfo; disseleneto cobre, índio, gálio (CuInxGa1-xSe2, CIGS) e telureto de cádmio (CdTe). O silício amorfo é a mais utilizado comercialmente destes, devido ao facto de usarem a tecnologia de células solares de silício existente para a fabricação, mas estas células têm um par de desvantagens. Uma desvantagem é que não absorvem a luz tão eficientemente como outras células solares de silício, e o outro é o de que estas células se degradam ao longo do tempo. Devido a estas desvantagens, as células de película fina CIGS e CdTe foram desenvolvidas devido à sua estabilidade e eficiência. Estas células também são muito menos caras de produzir do que as células de película fina de silício amorfo… Células Fotovoltaicas Amorphous Si CdTe CIGS (CuInGaSe2)
  85. 85. Energias Renováveis: Energia Solar Fotovoltaica 03/12/2015 Por : Luís Timóteo 85  Células solares de 2ª Geração- Thin Film Cells : Estas células de película fina, têm uma camada no topo, chamada camada de janela, feita de um material de Gap de banda larga, que absorve os fotões de energia mais elevados e uma camada inferior, chamada a camada de absorção feita de um material de Gap de banda menor, que absorve os fotões de energia mais baixa, que não são absorvidos por a camada de janela. Este design permite uma eficiência inerentemente melhor. Existem algumas diferenças fundamentais entre as células solares de segunda geração e células solares da primeira geração. A diferença mais notável é o material semicondutor usado na célula, tem um Gap de banda directa, em oposição ao Gap indirecto do silício, embora estas células continuem com uma concepção de junção p-n. AS Células CIGS têm a mais alta eficiência de células de película fina de cerca de 20%; As Células de CdTe tem uma eficiência de cerca de 17%, e as de silício amorfo tem uma eficiência de 16%. Células solares de película fina estão finalmente se tornando competitivas. A eficiência das células solares de CdTe atingiu mais de 15%, e as células solares CIGS atingiram eficiência superiores a 20%. Células Fotovoltaicas
  86. 86. Energias Renováveis: Energia Solar Fotovoltaica 03/12/2015 Por : Luís Timóteo 86 2ª Geração- Thin Film Cells : Células de Silício Amorfo (a-Si) Existem vários tipos de células de Silício Amorfo: a-Si; Amorfo Hidrogenado: a-Si:H; microcristalino: µc-Si; Nanocristalino: nc-Si; Nanocristalino hidrogenado: nc-Si:H..... Nas células de silício amorfo, é introduzido hidrogénio, para que seja possível o silício seja dopado com Boro e Fósforo. As células solares de película fina ( Thin film solar cells), são normalmente classificadas com células solares da segunda geração. As da primeira geração, referem-se a células solares baseadas no silício cristalino. A produção de células solares de silício de película fina, ( silício amorfo) requer menos material de silício, uma vez que é bastante caro, o que significas que a estas células e o seu processo de produção é muito mais barato… O silício amorfo (a-Si) é uma forma alotrópica não-cristalina de silício e é a tecnologia película fina mais bem desenvolvida actualmente. • Feito por evaporação de silício sobre uma base de vidro. • Orientação mais aleatória do que cristalino. • Mais electrões não ligados aos átomos de Si. • Electrões não ligados atraem impurezas e degradam o desempenho eléctrico da célula. • O hidrogénio é geralmente adicionado ao material a desactivar as ligações pendentes ou oscilantes. Células Fotovoltaicas
  87. 87. Energias Renováveis: Energia Solar Fotovoltaica 03/12/2015 Por : Luís Timóteo 87 Ligação pendente (Dangling Bond) Passivação por Hidrogénio Dangling Bond: ligação pendente é uma valência insatisfeita num átomo imobilizado a fim de ganhar electrões suficientes para preencher os níveis de valência. Arranjo menos regular de átomos que leva a ligações erráticas e passivação por hidrogénio. As primeiras células solares de película fina foram baseados no silício amorfo. A tecnologia é mais usada em dispositivos que requerem muito pouca energia (por exemplo, calculadoras de bolso) devido ás baixas taxas de eficiência. 2ª Geração- Thin Film Cells : Células de Silício Amorfo: (a-Si) Células Fotovoltaicas
  88. 88. Energias Renováveis: Energia Solar Fotovoltaica 03/12/2015 Por : Luís Timóteo 88 A sua gama de aplicações são os pequenos produtos de consumo como relógios, calculadoras, mas podem também ser utilizadas em instalações solares. Estas células são compostas por um suporte de vidro ou de uma outra matéria sintética flexível ou não, na qual é deposta uma fina camada de silício amorfo(a organização dos átomos já não é regular como num cristal). O rendimento deste tipo de células é da ordem de 5 a 10% mais baixo do que nas células cristalinas mas, mesmo assim, a corrente produzida é razoável. Uma célula de silício amorfo difere das demais estruturas cristalinas por apresentar alto grau de desordem na estrutura dos átomos. A utilização de silício amorfo para uso em fotocélulas tem mostrado grandes vantagens tanto nas propriedades eléctricas quanto no processo de fabricação. Por apresentar uma absorção da radiação solar na faixa do visível e podendo ser fabricada mediante deposição de diversos tipos de substratos, o silício amorfo vem se mostrando uma forte tecnologia para sistemas fotovoltaicos de baixo custo. O uso de silício amorfo apresenta duas desvantagens: a primeira é a baixa eficiência de conversão comparada às células mono e policristalinas de silício; em segundo, as células são afectadas por um processo de degradação logo nos primeiros meses de operação, reduzindo assim a eficiência ao longo da vida útil. 2ª Geração- Thin Film Cells : Células de Silício Amorfo: (a-Si) Células Fotovoltaicas
  89. 89. Energias Renováveis: Energia Solar Fotovoltaica 03/12/2015 Por : Luís Timóteo 89 (TCO) Transparent Conducting Oxide Vidro (2-5 mm) TCO (0.5 mm) p+ a-Si:H (0.02 mm) i a-Si:H (0.5 mm) n+ a-Si:H (0.02 m) TCO (0.5 mm) Metal (0.5 m) As células são construídas em sequência de baixo para cima: Contacto de base (metal), TCO, Camada- n, Camada intrínseca, Camada-p, contacto transparente (TCO), substrato de vidro. Estas células sofrem uma queda na eficiência, quando expostas á luz solar, sendo este efeito criado na camada intrínseca. O efeito pode ser minimizado usando varias camadas mais finas em vez de uma somente. 2ª Geração- Thin Film Cells : Células de Silício Amorfo: (a-Si) Células Fotovoltaicas
  90. 90. Energias Renováveis: Energia Solar Fotovoltaica 03/12/2015 Por : Luís Timóteo 90 2ª Geração- Thin Film Cells : Células de Silício Amorfo (a-Si) Junção Simples Amorfo (a-Si:H) Microcristalino (c-Si:H) Alguns fabricantes estão desenvolvendo várias formas de silício amorfo… de modo a aumentar a sua eficiência… e diminuir o preço. Eficiência confirmada: P I N Junção Dupla Microamorfo a-Si:H/c-Si:H) 11.7% (a-Si/ pc-Si) Kaneka 12.4% (a-Si/a-SiGe) USSC 9,5% (a-Si) Un. Neuchatel 10.1% (-Si) Kaneka Junção Tripla e.g. a-Si:H/a-SiGe:H/ c-Si:H 13.0% (Si/SiGe/SiGe) USSC* Células Fotovoltaicas
  91. 91. Energias Renováveis: Energia Solar Fotovoltaica 03/12/2015 Por : Luís Timóteo 91  Vantagens – Absorve a luz de baixa e alta intensidade. – É necessário menos Semiconductor  menor Custo. – As altas temperaturas não reduzem significativamente o desempenho.  Desvantagens – Menor eficiência (menor grau de Si). – Degradação a longo prazo do material sob a luz solar. – Produção requer uso de gases perigosos.  Células solares Thin Film (película amorfa)  Três Principais tipos de películas finas (Thin Films)  Amorphous Silicon (a-Si).  Cadmium Telluride (CdTe).  Copper Indium Gallium Diselenide (CIGS) O silício amorfo em película tem uma eficiência muito inferior, cerca 16%, mas é muito menos caro de produzir. 2ª Geração- Thin Film Cells : Células de Silício Amorfo (a-Si) Células Fotovoltaicas
  92. 92. Energias Renováveis: Energia Solar Fotovoltaica 03/12/2015 Por : Luís Timóteo 92 • Produzido a partir de materiais policristalinos mais baratos e vidro. • Altos coeficientes de absorção óptica. • Gap de Banda adequado para o espectro solar.  CdTe : Bandgap 1.5 eV; coeficiente de absorção 10 vezes maior do q Si.  CdS : Bandgap 2.5 eV; Actua como uma camada de janela. 2ª Geração- Thin Film Cells : CdTe/CdS Solar Cells Óxido condutor transparente substrato de vidro Luz Incidente CdS (100 nm) Contacto (ouro) Saída de Corrente CdTe (10 m)  Limitações: Contacto de má qualidade com p-CdTe (~ 0.1 Wcm2). Uma película fina de semicondutor é depositada por meio de métodos de baixo custo. Menos material é utilizado. As células podem ser flexíveis e integradas directamente no material de cobertura de telhados habitacionais. Células Fotovoltaicas
  93. 93. Energias Renováveis: Energia Solar Fotovoltaica 03/12/2015 Por : Luís Timóteo 93 Glass Superstrate Transparent Conducting Oxide N-type CdS P-type CdTe Metal Back Contact: Cathode Front Contact: Anode Window Layer Absorber layer 3~8 m 0.1 m 0.05 m ~1000 m CdS: tende a ser do tipo-n, maior Gap(2.42eV) A célula solar de CdTe tem uma estrutura semelhante á célula CIGS. Um eléctrodo é feito a partir de uma camada de pasta de carbono infundido com o cobre, o outro a partir de óxido de estanho (SnO2), ou estanato de cádmio (Cd2SnO4). O semicondutor é, neste caso, o telureto de cádmio (CdTe), que, juntamente com sulfeto de cádmio (CdS), criam as camadas do tipo-n e do tipo-p necessárias para a célula fotovoltaica funcionar. 2ª Geração- Thin Film Cells : CdTe/CdS Solar Cells Luz Incidente Células Fotovoltaicas
  94. 94. Energias Renováveis: Energia Solar Fotovoltaica 03/12/2015 Por : Luís Timóteo 94 ZnO, ITO 2500 Å CdS 700 Å Mo 0.5-1 µm Glass, Metal Foil, Plastics Glass CTO/ZTO,SnO2 0.2-0.5 µm CdS 600-2000 Å CdTe 2-8 µmCIGS 1-2.5 µm C-Paste with Cu, or Metals ZnTe:Cu CTO/ZTO = Cd2SnO4/ZnSnOx CIGS CdTe 2ª Geração- Thin Film Cells : Estruturas das Células CIGS e CdTe Ti Células Fotovoltaicas
  95. 95. Energias Renováveis: Energia Solar Fotovoltaica 03/12/2015 Por : Luís Timóteo 95 2ª Geração- Thin Film Cells : Diagrama de Bandas das células CdTe/CdS Células Fotovoltaicas
  96. 96. Energias Renováveis: Energia Solar Fotovoltaica 03/12/2015 Por : Luís Timóteo 96 2ª Geração- Thin Film Cells : Células CdTe/CdS Cadmium Telluride (CdTe) Há, no entanto, as questões ambientais com os produtos que dependem do cádmio - um metal pesado e potencial cancerígeno que pode se acumular nos tecidos vegetais e animal. No entanto, o risco é mínimo enquanto o composto estiver contido no interior do painel solar, a eliminação e/ou reciclagem pode ser perigosa e dispendiosa.  A heterojunção da célula solar de CdS / CdTe é tipicamente formada usando uma técnica de banho químico para depositar os CdS e sublimação perto do vácuo, para depositar o CdTe.  Toxicidade do Cd é entendida como um problema a minimizar…  Melhor eficiência em laboratório = 16,5%.  Eficiência teórica: ~ 30%.  Eficiência de Módulo: ~ 10%.  Estabilidade: Boa.  Retorno de investimento: 16 meses para instal. 10MW.  Problemas : Toxidade do Cd, e disponibilidade de Te.  Tecnologias de Produção: Empirical & Temperamental. Células Fotovoltaicas
  97. 97. Energias Renováveis: Energia Solar Fotovoltaica 03/12/2015 Por : Luís Timóteo 97 2ª Geração- Thin Film Cells : Células CdTe/CdS Cadmium Telluride (CdTe) Semicondutor Tipo-p é feito de Cádmio e de Telluride de cobre (?) Semicondutor Tipo-n é feito de Sulfeto cádmio. Vantagens: – Eficiência elevada em comparação com a-Si( 16%). Desvantagens: – Requer altas temperaturas de processamento. – CdTe é instável e degrada- se. – O cádmio é tóxico e caro de reciclar. – Sensível à entrada de água e degradação celular. Células Fotovoltaicas
  98. 98. Energias Renováveis: Energia Solar Fotovoltaica 03/12/2015 Por : Luís Timóteo 98  2ª Geração- Thin Film Cells : CIGS – (Copper Indium Gallium Diselenide) Disseleneto Cobre Índio Gálio:  Extremamente boa absorção da luz (99% de luz absorvida no primeiro mícron). um material ideal e eficaz em PV.  A adição de gálio aumenta a faixa de absorção do espectro da luz solar.  Tem aproximadamente 1 centésimo da espessura das células solares convencionais de silício.  Sem degradação do desempenho ao longo do tempo. Eficiências muito mais elevadas do que as outras películas finas (20%?)  Tipicamente, requer processamento a temperatura relativamente elevada (> 500 0C). Gálio e índio são materiais escassos, e Cádmio é perigoso. Células solares Inorgânicas de película fina Células Fotovoltaicas amorphous Si CdTe CIGS (CuInGaSe2)
  99. 99. Energias Renováveis: Energia Solar Fotovoltaica 03/12/2015 Por : Luís Timóteo 99 A mais nova geração de células solares de película fina utiliza finas camadas de telureto de cádmio (CdTe) ou, em seu lugar, disseleneto cobre, índio e gálio (CIGS). Uma camada de óxido de zinco (ZnO), desempenha a função do outro eléctrodo na célula CIGS. Mais duas camadas - o material semicondutor e sulfeto de cádmio (CdS). Estas duas camadas agem como materiais do tipo-n e do tipo-p, que são os materiais necessários para criar uma corrente de electrões.  2ª Geração- Thin Film Cells : CIGS – (Copper Indium Gallium Diselenide) Note-se que existem duas configurações básicas da célula solar CIGS. A célula de CIGS em vidro requer uma camada de molibdénio para criar um eléctrodo eficaz. Esta camada extra não é necessário na célula de CIGS em folha porque o metal de folha funciona como eléctrodo. Os Dispositivos CIGS são sensíveis ao vapor de água; pois alteram as propriedades do ZnO… pelo que necessita de melhoria no encapsulamentos em módulos… Há preocupações de saúde com a utilização de cádmio em células solares de película fina. O cádmio é uma substância altamente tóxica que, como o mercúrio, podem se acumular nas cadeias alimentares. Esta é uma mancha em qualquer tecnologia que se imagina parte da revolução verde. O Laboratório Nacional de Energia Renovável e várias outras agências e empresas estão investigando películas finas de células solares livre de cádmio. Células Fotovoltaicas
  100. 100. Energias Renováveis: Energia Solar Fotovoltaica 03/12/2015 Por : Luís Timóteo 100 0 500 1000 1500 2000 0.4 0.6 0.8 1 1.2 1.4 CuGaSe ; a-Si2 CuInS2 CuInSe ; c-Si2 Solar spectrum AM 1.5 Powerdensity[W/m]2  [ m] SLG or SS substrate Mo back contact p-type CIGS absorber n-type CdS buffer 0.5 – 1.5m 1.5 – 2.5m 0.03 – 0.08m 0.5 – 1.5m 1.8m n-type ZnO/ITO window  2ª Geração- Thin Film Cells : CIGS – (Copper Indium Gallium Diselenide) O que a CIGS:  Anacronismo para Copper Indium Gallium Diselenide. (Disseleneto de Cobre, Índio e Gálio).  Célula Solar Fotovoltaica policristalina de película fina, com base no Sistema de materiais de disseleneto de cobre, índio e gálio (CIGS). Estrutura típica:  Molibdénio / CIGS /Sulfeto de Cádmio / ITO: Indium Tin Oxide (Estanho com óxido de Índio). Substratos:  Molibdénio / CIGS /Sulfeto de Cádmio / ITO: Indium Tin Oxide (Estanho com óxido de Índio).  Vidro .  Aço inoxidável  Polímero Células Fotovoltaicas
  101. 101. Energias Renováveis: Energia Solar Fotovoltaica 03/12/2015 Por : Luís Timóteo 101  2ª Geração- Thin Film Cells : CIGS – (Copper Indium Gallium Diselenide) Estrutura cristalina: – Estrutura calcopirita tetragonal. – Derivado de Zinco com estrutura blenda ou esfalerita. – Tetraedricamente coordenada. Semicondutor de gap directo – Band gap: 1.04eV – 1.68eV – Extremamente alta absortividade. – Comprimento de adsorção:> 1 m. – Vida de portadores minoritários: várias ns. – Comprimento de difusão do electrão: poucos m. – mobilidade dos electrões: 1000 cm2 V -1 s-1 (único cristal). Mais eficiente Mais barato Mais difícil Células Fotovoltaicas
  102. 102. Energias Renováveis: Energia Solar Fotovoltaica 03/12/2015 Por : Luís Timóteo 102  2ª Geração- Thin Film Cells : Estrutura do dispositivo CIGS…. Evolução Células Fotovoltaicas
  103. 103. Energias Renováveis: Energia Solar Fotovoltaica 03/12/2015 Por : Luís Timóteo 103  2ª Geração- Thin Film Cells : Estrutura do dispositivo CIGS…. Tecnologia Sputtering Chemical Bath deposition Vacuum method Co-evaporation Sputteiing + selenization Non-Vacuum method Electro-deposition + selenization Printing+ selenization Sputtering 1-2 m 50nm CdS or ZnSe Células Fotovoltaicas
  104. 104. Energias Renováveis: Energia Solar Fotovoltaica 03/12/2015 Por : Luís Timóteo 104  2ª Geração- Thin Film Cells : CIGS – (Copper Indium Gallium Diselenide) ZnO CdS CIGS MoSe2 MoEC EV Diagrama de Bandas EF3.4eV 2.4eV 1.2eV QNR – quasi-neutral region SCR – space charge region QNRSCR Células Fotovoltaicas
  105. 105. Energias Renováveis: Energia Solar Fotovoltaica 03/12/2015 Por : Luís Timóteo 105 ZnO, ITO 2500 Å CdS 700 Å Mo 0.5-1 µm Vidro, Folha metálica, Plástico CIGS 1-2.5 µm  2ª Geração- Thin Film Cells : Estrutura do dispositivo CIGS Em 2013, cientistas da Empa, no Laboratório Federal suíço de Ciência de Materiais e Tecnologia , criaram com sucesso células solares CIGS em folhas de polímeros flexíveis com um novo recorde de eficiência de 20,4%. Isso faz com que os painéis solares baseadas em CIGS de película fina de mais alto desempenho até o momento. Também vale a pena mencionar que tem menos do material tóxico (cádmio)em comparação com as células solares CdTe. Cu(InGaSe2) Células Fotovoltaicas
  106. 106. Energias Renováveis: Energia Solar Fotovoltaica 03/12/2015 Por : Luís Timóteo 106  2ª Geração- Thin Film Cells :Flexible CIGS solar cells-Estrutura do dispositivo CIGS Fabricação Rol-to-Rol? Células Fotovoltaicas
  107. 107. Energias Renováveis: Energia Solar Fotovoltaica 03/12/2015 Por : Luís Timóteo 107 Eficiência:  20% Processo: configuração do substrato. Co-evaporação de CIGS em poliimida coberto por molibdénio. Outros parâmetros: VOC = 712 mV, ISC = 34.8 mA/cm2, FF = 75.7%, área = 0.582 cm2 2ª Geração- Thin Film Cells : Flexible CIGS solar cells Células Fotovoltaicas
  108. 108. Energias Renováveis: Energia Solar Fotovoltaica 03/12/2015 Por : Luís Timóteo 108 As Células de película fina podem ser tão finas quanto 1 micro. 5mm 5000 micros Células solares de película fina de gálio índio disseleneto de cobre (CIGS). Eléctrodo de Óxido de Zinco ( ZnO) Semicondutor camada negativa Sulfureto de Cádmio ( CdS) Semicondutor camada Positiva Disseleneto de cobre, índio e gálio (Cu(In,Ga,)Se2) Eléctrodo de Molibdénioplástico moldado plástico moldado  2ª Geração- Thin Film Cells : Estrutura e funcionamento do dispositivo Flexible CIGS A luz solar contém pacotes de energia chamados fotões. 1 Quando a luz solar incide na camada negativa, os fotões colidem com alguns dos electrões neste material, fazendo com que eles se movam provocando pares electrão/lacuna. 2 Os electrões se movem para a camada negativa. As lacunas par a camada positiva. 3 A recombinação dá-se através da corrente eléctrica no circuito exterior. 4 Células Fotovoltaicas
  109. 109. Energias Renováveis: Energia Solar Fotovoltaica 03/12/2015 Por : Luís Timóteo 109  2ª Geração- Thin Film Cells : CIGS – Substratos flexíveis Em folha de poliamida, eficiência 20.4% EMPA (Suíça) Células Fotovoltaicas
  110. 110. Energias Renováveis: Energia Solar Fotovoltaica 03/12/2015 Por : Luís Timóteo 110 Roll of CIGS Foil in Nanosolar 2ª Geração- Thin Film Cells : Flexible CIGS solar cells Bottom Electrode Nanoparticles layer Semiconductor Top Electrode RTP RTP - Rapid Termal Processing Células Fotovoltaicas
  111. 111. Energias Renováveis: Energia Solar Fotovoltaica 03/12/2015 Por : Luís Timóteo 111 2ª Geração- Thin Film Cells : Flexible CIGS solar cells Processamento Roll-to-Roll de 1500…750…200mm Web CIGS impresso :Nanopartículas Tinta+ RTP Eléctrodo Topo, impresso (fino) Eléctrodo posterior, com revestimento metálico Folha como eléctrodo Thin Film Solar Cell Top Electrode Semiconductor Bottom Electrode Nanosolar Células Fotovoltaicas
  112. 112. Energias Renováveis: Energia Solar Fotovoltaica 03/12/2015 Por : Luís Timóteo 112 2ª Geração- Thin Film Cells : Flexible CIGS solar cells Substrato As Tecnologias solares de películas finas (Thin Film Cells) utilizam camadas de materiais semicondutores apenas com a espessura de alguns mícrons, podendo estes materiais serem depositados sobre substratos leves e/ou flexíveis. Benefícios das CIGS Os benefícios de módulos CIGS são: Células solares CIGS possuem um factor de forma ideal para substratos rígidos e flexíveis. Podem ser fabricados em substrato de vidro de baixo custo, que permite o acesso aos maiores mercados PV. Permite o uso de sistemas de montagem existentes, pois é compatível com a infra-estrutura de sistemas fotovoltaicos existentes, e tem a capacidade de dominar o mercado de fotovoltaicos na construção integrada (BIPV building integrated photovoltaics) no futuro. Têm a maior eficiência entre todas as tecnologias solares de película fina; ele pode absorver mais de 99 por cento do espectro de raios de sol e têm maior densidade de corrente. CIGS estão em primeiro lugar em termos de eficiência de conversão de amostras de laboratório, entre todas as outras tecnologias solares de película fina. Os Módulos CIGS demonstraram ter um desempenho fiável e estável por quase 20 anos. Células Fotovoltaicas
  113. 113. Energias Renováveis: Energia Solar Fotovoltaica 03/12/2015 Por : Luís Timóteo 113 2ª Geração- Thin Film Cells : CIGS impressas VS Silício amorfo (a-Si) Apesar destas características, as células solares a-Si são limitadas pela pobre eficiência de conversão, a instabilidade inerente, e os elevados custos dos equipamentos. Como resultado, os esforços recentes para escalar a-Si para a produção de grandes volumes, tem tido dificuldades para mostrar meios de produção sustentáveis ​​e competitivos. As células solares de silício amorfo foram a primeira tecnologia de película fina a ser comercializada no início dos anos 1980’s. Esta tecnologia é adaptável a substratos flexíveis, é resistente à humidade, e não é negativamente afectada por ambientes de alta temperatura para o mesmo grau, que outras tecnologias PV. Factos rápidos: Silício amorfo (a-Si)  Baixa eficiência, exige mais área por sistema, para produzir uma potência desejada levando a um aumento do custo de balanceamento de sistemas (BOS).  A instabilidade do dispositivo leva à degradação do desempenho ao longo do tempo.  Apesar de uma construção de dupla e tripla junção, a eficiência do módulo de permanece relativamente baixa.  O processamento de células multijunção requer processamento adicional em câmaras, (Plasma Enhanced Chemical Vapor Deposition (PECVD) aumentando ainda mais o custo de capital e investimento.  Potencial de redução dos custos de produção limitado. Células Fotovoltaicas
  114. 114. Energias Renováveis: Energia Solar Fotovoltaica 03/12/2015 Por : Luís Timóteo 114 2ª Geração- Thin Film Cells : CIGS impressos VS Silício amorfo (a-Si) Factos rápidos: CIGS impressos  As células solares de a-Si têm uma eficiência de conversão mais fraca a um custo que se esforça para competir com todas as outras tecnologias fotovoltaicos comercializadas. Os CIGS impressos proporcionam maior desempenho a um custo menor.  A eficiência do módulo mostrou ser maior do que a melhor dos módulos de a-Si.  Maior eficiência reduz a área exigida no balanceamento dos custos de sistemas (BOS) .  Desempenho estável por mais de 20 anos, com aumentos de desempenho iniciais da luz solar.  As despesas de capital em métodos de deposição nos CIGS impressos, são muito mais baixas do que as utilizadas para PECVD nos a-Si.  A utilização de materiais aditivos conduz a menores custos dos materiais.  Materiais de desempenho superior com muito espaço para novas melhorias da eficiência e menores custos de produção. Células Fotovoltaicas
  115. 115. Energias Renováveis: Energia Solar Fotovoltaica 03/12/2015 Por : Luís Timóteo 115 2ª Geração- Thin Film Cells : CIGS impressos VS Cadmium Telluride (CdTe) As células solares de Telluride de Cádmio demonstraram com sucesso a viabilidade comercial e escalabilidade de sistemas fotovoltaicos de película fina. Os custos de produção para a tecnologia CdTe foram reduzidos, embora com uma contribuição marginal de melhorias de eficiência. O potencial de crescimento a longo prazo para a tecnologia é limitado pelas dificuldades de melhorar a eficiência… Factos rápidos: Telluride de Cádmio  Não adaptável para substratos flexíveis.  De manuseamento sensível, é necessário um plano de reciclagem para cada módulo no final da vida útil, devido ao material Cd ser potencialmente perigoso.  Potencial limitado para melhorias práticas de eficiência.  O curto processo de sublimação, faz utilização relativamente baixa de materiais.  Dados de desempenho para a vida a longo prazo ainda não estão disponíveis para a tecnologia CdTe. Factos rápidos: CIGS impressos  Utilização de materiais aditivos conduz a menores custos dos materiais.  Os custos dos equipamentos de capital mais baixos para deposição absorvente.  Melhoria contínua na eficiência de conversão, vai levar a novas reduções de custos.  Apenas utiliza uma pequena quantidade de material de Cd, com substituição pendente da sua utilização por materiais não-perigosos.  Adaptável a substratos flexíveis. Atinge melhor desempenho do que CdTe a um custo competitivo sem a utilização de grandes quantidades de Cd. Células Fotovoltaicas
  116. 116. Energias Renováveis: Energia Solar Fotovoltaica 03/12/2015 Por : Luís Timóteo 116 2ª Geração- Thin Film Cells : CIGS impressos VS CIGS de alto vácuo Os absorvedores de luz das CIGS tem claras vantagens de desempenho em relação a outras películas finas disponíveis. No entanto, a maioria dos fabricantes utilizam tecnologias caras de alto vácuo, como co-evaporação ou Sputtering para depositar os absorventes, o que impede mostrar o potencial baixo custo total da CIGS. Factos rápidos: CIGS de alto vácuo  Alto custo de produção impede custo competitivo, a menos que seja compensado com o aumento em escala, exigindo grandes quantidades de capital de investimento.  Investimento de capital elevado necessário para as câmaras de deposição.  O equipamento de vácuo para escalonamento para o formato de grande-áreas, requer despesas de capital proporcionalmente elevadas.  Metais caros como o índio e gálio são depositados nas paredes das câmaras de vácuo, e a reciclagem destes materiais é muito cara.  Má utilização de metais em grandes volumes, diminui os benefícios de economias de escala. Factos rápidos: CIGS impressos  Os materiais activos na tinta, são precisamente aplicados onde irão ser convertidos em células solares funcionais, resultando numa utilização dos materiais, superiores a 95%.  Uso de tecnologias de impressão económicas que estão vocacionadas para alto volume de produção. Custos extremamente baixos de fabricação permitem a competitividade no mercado em cada fase do desenvolvimento da capacidade de produção. Células Fotovoltaicas
  117. 117. Energias Renováveis: Energia Solar Fotovoltaica 03/12/2015 Por : Luís Timóteo 117 1. Incompatibilidade nos processos de deposição entre CIGS e CdS. 2. Processos de deposição e controlos complexos. 3. Síntese do CIGS :  Faixa de estequiometria estreita,  Polimorfismo,  Binários Múltiplos,  Inúmeros defeitos estruturais,  Nonuniforidade,  Desorganização Electrónica.  Sem estequiometria / condutividade dependerá de parâmetros da deposição. 4. Microestrutura e Morfologia do CdS muito sensível ao processo de deposição. 5. Adesão & Tensão no interface Mo/CIGS. 6. Interface TCO/CdS (?) 7. Função de sódio(?) 8. Incompatibilidade cell-to-cell. 9. Encapsulamento . 2ª Geração- Thin Film Cells : Problemas com a tecnologia CIGS Células Fotovoltaicas
  118. 118. Energias Renováveis: Energia Solar Fotovoltaica 03/12/2015 Por : Luís Timóteo 118 Células Fotovoltaicas: Vários tipos de células fotovoltaicas… 2ª Geração- Thin Film Cells
  119. 119. Energias Renováveis: Energia Solar Fotovoltaica 03/12/2015 Por : Luís Timóteo 119 Células Fotovoltaicas: Vários tipos de células fotovoltaicas… 2ª Geração- Thin Film Cells : Aplicações - CIGS solar cells Enables Electronics Integrated Photovoltaic (EIPV) Building-integrated photovoltaics (BIPV) Building applied photovoltaic (BAPV) Auto Vehicle photovoltaic (AVPV) Portable Outdoor photovoltaic (POPV) (Electric Power Generation photovoltaic (EAPV) (Vessel integrated photovoltaics (VIPV)
  120. 120. Energias Renováveis: Energia Solar Fotovoltaica 03/12/2015 Por : Luís Timóteo 120 Células Fotovoltaicas: Vários tipos de células fotovoltaicas… 2ª Geração- Thin Film Cells : Células Cdte, Si amorfous, CIGS, GaAs… SnO2 CdS CdTe ZnTe:Cu Ti Pros: Espessura da película: 100 nm a 10m. Temperatura de processamento mais baixa. Peso leve, flexível. Cos: Elementos menos abundantes. Estrutura mais complicada. Processamento em vácuo. Menor eficiência. As células fotovoltaicas de película fina também são caras.
  121. 121. Energias Renováveis: Energia Solar Fotovoltaica 03/12/2015 Por : Luís Timóteo 121 Média dos custos de fabrico 2006: $1.40/watt 2007: $1.23/watt 2008: $1.08/watt 2009: $0.87/watt 2010: $0.77/watt 2011: $0.74/watt 2012: $0.64/watt 2013: $0.53/watt Células Fotovoltaicas: Vários tipos de células fotovoltaicas… 2ª Geração- Thin Film Cells : Células CdTe/CdS Situação Industrial:
  122. 122. Energias Renováveis: Energia Solar Fotovoltaica 03/12/2015 Por : Luís Timóteo 122 Future Generation: – Printable Cells Organic Cell Nanostructured Cell Solution Processible Semiconductor 3ª Geração- Multi-junction Cells: Células Fotovoltaicas: Vários tipos de células fotovoltaicas…
  123. 123. Energias Renováveis: Energia Solar Fotovoltaica 03/12/2015 Por : Luís Timóteo 123 • Melhorar o pobre desempenho eléctrico, mantendo custos produção muito baixos. • A pesquisa actual tem como meta a eficiência de conversão de 30-60%, mantendo materiais e técnicas de fabricação de baixo custo. • Células de Junções Múltiplas com eficiências de 30% (40-44.7% demonstrada). • Bastante caras…  Em constante evolução…Terceira Geração Células Fotovoltaicas: Vários tipos de células fotovoltaicas… – Multi-junction Cells
  124. 124. Energias Renováveis: Energia Solar Fotovoltaica 03/12/2015 Por : Luís Timóteo 124 Células Orgânicas, de Corantes, de Multi-junções (Tadem cells)… Células Fotovoltaicas: Vários tipos de células fotovoltaicas… Devido ao alto custo das células solares da primeira geração e á toxicidade e pouca disponibilidade de materiais para células solares da segunda geração, surgiu uma nova geração de células solares. Há um par de modelos populares para as células de terceira geração, que incluem células solares sensibilizadas por corantes (DSSC) e células solares orgânicas ou polímeros. As células solares sensibilizadas por corante também são frequentemente chamadas de células Grätzel o nome do seu desenvolvedor. As células solares da terceira geração são inerentemente diferentes das duas gerações anteriores, porque não são baseadas na junção p-n das anteriores. AS Células solares orgânicas ou de polímeros, foram desenvolvidas para fazer uma célula solar mais flexível. As DSSCs não são consideradas orgânicas porque usam corantes organometálicos e semicondutores inorgânicos. As células orgânicas ou de polímeros, são classificadas como tal, porque as camadas activas da célula são feitos de materiais completamente orgânicos.  Em constante evolução… 3ª Geração- Thin Film Cells
  125. 125. Energias Renováveis: Energia Solar Fotovoltaica 03/12/2015 Por : Luís Timóteo 125 As células Tandem ou de multijunções, por definição, são constituídas pelo menos por duas junções p-n com células compostas de materiais que absorvem fotões de diferentes energias . A célula superior vai absorver as energias mais elevadas, enquanto a parte inferior da célula irá absorver as energias mais baixas que não foram absorvidas pelas células superiores. Células Fotovoltaicas: Vários tipos de células fotovoltaicas… 3ª Geração- Thin Film Cells : Células de Multijunções: Tandem cells Exemplos destes compostos são: o arsenieto de gálio (GaAs), o fosforeto de índio (InP), antimoneto de gálio (GaSb), gálio fosfeto de índio (GaInP), arsenieto de gálio e índio (GaInAs). Estas células solares têm a maior eficiência relatada é de 43% , quando se utiliza uma célula solar de três células, mas usam metais raros e são extremamente caras de fabricar, por isso elas não são práticas para uso generalizada em terra… a não ser em células concentradas. Estas células têm então uma maior eficiência, uma vez que podem absorver mais fotões do espectro solar para conversão de energia. Esta tecnologia já está sendo colocada em uso em células solares no espaço. Células solares Tandem ou de multijunções, são normalmente feitas de compostos de elementos da tabela periódica, grupos III e V.
  126. 126. Energias Renováveis: Energia Solar Fotovoltaica 03/12/2015 Por : Luís Timóteo 126 Células Fotovoltaicas: Vários tipos de células fotovoltaicas… LOW CONCENTRATOR PHOTOVOLTAICS (LCPV) 3ª Geração- Thin Film Cells : Células de Multijunções: Tandem cells
  127. 127. Energias Renováveis: Energia Solar Fotovoltaica 03/12/2015 Por : Luís Timóteo 127 Células Fotovoltaicas: Vários tipos de células fotovoltaicas…  Mas estas células são inerentemente mais eficazes a dissipar calor, tornando-as por isso mais baratas. Os módulos têm outra vantagem: Enquanto as células feitas à base de silício apenas absorvem de forma eficiente uma banda estreita do esperto solar, as novas células são constituídas por três camadas de arsenieto de gálio, todas elas alteradas para converter uma parte diferente do espectro em energia eléctrica.  O arsenieto de gálio é bastante melhor a absorver (40%) a radiação solar que o silício, o material normalmente usado na maioria das células solares, mas é também mais dispendioso.  Para além disso – e apesar de utilizarem uma menor quantidade de material semicondutor – os módulos requerem sistemas ópticos tipo concentração de luz, de refrigeração, e de sistemas de seguimento (que os mantêm sempre virados para o Sol) com um custo elevado. 3ª Geração- Thin Film Cells : Células de Multijunções (GaAs)
  128. 128. Energias Renováveis: Energia Solar Fotovoltaica 03/12/2015 Por : Luís Timóteo 128 Duas configurações de células solares de 3 junções, numa subcélula de GaInAs com uma estrutura altamente-incompatível, invertida de 1 eV: (a) o crescimento em dois lados de um substrato de GaAs transparente; (B) Crescimento na inferior de um substratos de GaAs ou Ge que é removido após o fabrico da célula. A técnica de multijunções atenua o problema da perda de energia quando um fotão de energia maior do que a energia do semicondutor é absorvido pela célula solar de monojunção. Nas células solares de uma junção, esse excesso é uma perda de energia convertida em calor e diminui a eficiência da célula solar. Nas células solares de múltiplas junções tem-se cada junção como uma “janela”, que absorve parte do espectro, e deixa passar as restantes para a outra junção. Desta maneira, esse espectro é mais bem aproveitado. Células Fotovoltaicas: Vários tipos de células fotovoltaicas… (a) (b) IMM (“Inverted Metamorphic Solar Cell”) 3ª Geração- Thin Film Cells : Células de Multijunções (GaInP )
  129. 129. Energias Renováveis: Energia Solar Fotovoltaica 03/12/2015 Por : Luís Timóteo 129 Spectrolab’s Triple-Junction Solar Cell  Spectrolab relatou uma eficiência de conversão de 40,7%, com esta estrutura de célula solar operando em ~ 250 sóis.  As células Multijunção são muito caras. Células Fotovoltaicas: Vários tipos de células fotovoltaicas… GeGaAsGaInP2 3ª Geração- Thin Film Cells : Células de Multijunções (GaInP )
  130. 130. Energias Renováveis: Energia Solar Fotovoltaica 03/12/2015 Por : Luís Timóteo 130 Multijunções: O caminho para altas eficiências  A maior eficiência das células MJ, exigem novos materiais que dividem o espectro solar, para fornecerem a corrente correspondente. O Germânio (Ge) fornece a estrutura, mas o bandgap é muito pequeno. Células Fotovoltaicas: Vários tipos de células fotovoltaicas… 4 5 6 7 8 9 1 2 3 4 Energia (eV) GaInP 1,8 eV GaAs 1,4eV Ge 0,7eV Célula Solar MJ Convencional GaInP 1,8 eV GaAs 1,4eV GaInNAs 0,7eV Nova Célula Solar MJ Gallium arsenide solar cell Indium gallium solar cell 3ª Geração- Thin Film Cells : Células de Multijunções (GaInP )

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