Células Solares

Prévia do material em texto

Instituto de Ciência e Tecnologia da Universidade Federal de São Paulo
Campus São José dos Campos
CÉLULAS SOLARES
INTEGRANTES:
Gabriel Villas Boas Saes 104104
Thaís Helena Oliveira Ferreira 104123
Thamires Carvalho Torres 102233
Thonny Su Chen 92345
Willian H. I. Shimizu 103251
São José dos Campos
Novembro de 2016
1. Introdução
Através dos anos, o interesse da sociedade por questões ligadas à proteção do ambiente cresceu muito, isso se deve à escassez dos recursos energéticos e com isso à procura por novos recursos alternativos não poluentes é maior, como por exemplo, a energia solar. Uma das maneiras para transformar a radiação solar em energia para uso final. Uma delas é através das células solares. [1]
Células solares são dispositivos eletrônicos que se aproveitam da capacidade dos semicondutores de que são feitas, para transformar os fótons em portadores de carga. [2]
A primeira célula solar foi descoberta em Março de 1953 quando Calvin Fuller, em New Jersey, nos Estados Unidos da América, desenvolveu um processo de difusão que introduziu impurezas em cristais de silício, para controlar as suas propriedades elétricas, esse processo é conhecido como dopagem. [3]
Fuller produziu uma barra de silício dopado com uma pequena concentração de gálio, com isso ele torna o silício condutor, sendo as cargas móveis positivas (devido a isso é chamado silício do “tipo p”). O físico Gerald Pearson, colega de Fuller, mergulhou a barra de silício dopado num banho quente de lítio, criando assim na superfície da barra uma zona com muitos elétrons livres,que continham carga negativa (chamado então de silício do “tipo n”). Na região onde o silício “tipo n” fica em contato com o silício “tipo p”, a “junção p-n”, surge um campo elétrico permanente. [3]
Na junção, os elétrons livres do lado n passam para o lado p onde encontram os buracos que os capturam, com isso ocorre uma acumulação de elétrons no lado p, tornando-o eletricamente negativo e a redução de elétrons do lado n, o torna eletricamente positivo. Estas cargas dão origem a um campo elétrico permanente que dificulta a passagem de mais electrões do lado n para o lado p. O equilíbrio desse processo é alcançado quando o campo elétrico forma uma barreira capaz de segurar os elétrons livres remanescentes no lado n. [2]
A maior parte células solares industriais são fabricadas em lâminas de silício cristalino tipo p, dopadas com boro. Esta dopagem foi estabelecida como padrão nos anos 70,para aplicações espaciais, devido à resistência ao impacto de partículas ionizantes.[4]
Como as células solares tem um alto custo, elas não têm grande utilização na produção de eletricidade para uso terrestre. O custo desta energia comparados aos das formas mais comuns de produção de energia elétrica como a hidro-geração e a termo-geração é extremamente elevado. Com isso, várias pesquisas na área visam à obtenção de uma técnica que possibilite produzir células solares confiáveis que sejam mais baratas, ou seja, utilizam pouco material semicondutor e produção em larga escala, e como o dispositivo é mais barato, conseqüentemente a energia é mais barata. [1]
Com o desenvolvimento de células solares de baixo custo e alta eficiência terá grande aplicação no fornecimento de energia em lugares mais isolados do mundo, que são distantes da rede elétrica. Terá a vantagem de que a célula solar não consome combustível, não polui e não contamina o meio ambiente, além de ter longa vida útil, ser resistente às condições climáticas extremas, não ter peças móveis exigindo muita manutenção (só a limpeza do painel) e por permitir o aumento da potência instalada por meio da 25 incorporação de módulos adicionais. [1]
Em 2004 a European Photovoltaic Industry Association (EPIA) publicou um roteiro que prevê os avanços da indústria fotovoltaica para as próximas décadas. Nesse roteiro está previsto um crescimento do mercado superior a 30% por ano e uma redução nos custos proporcional ao crescimento de painéis instalados, a EPIA prevê que em 2020 cerca de 1% da eletricidade consumida mundialmente será de origem fotovoltaica, elevando-se essa fração para cerca de 26% em 2040. [3]
 
2. Vantagens e Desvantagens
a) Vantagens
1. A célula solar é uma fonte renovável de energia, já que usa a luz solar como fonte.
2. O silício é o segundo elemento mais abundante da Terra e, além disso, a sua forma cristalina apresenta menor degradação e maior tempo de vida quando comparado a outros tipos de silício.
3. 	A capacidade de se fabricar células semitransparentes faz com que aumente o número de aplicações, como por exemplo, em vidros. E a sua aparência pode ser modificada de acordo com a escolha do consumidor.
4. 	Em países tropicais, como o Brasil, a utilização da energia solar é viável em praticamente todo o território.
5. 	A sua utilização em locais longe dos centros de produção energética ajuda a sanar problemas má distribuição de energia.
6. 	As células solares são 100% silenciosas. [6]
b) Desvantagens
1. 	A quantidade de energia produzida varia com as condições climáticas, não sendo tão eficiente no inverno de locais de alta altitude.
2. 	As formas de armazenamento da energia solar são pouco eficientes quando comparadas aos de outras fontes de energia. [6]
3. Não produz energia a noite.
3. Características e propriedades
Células fotovoltaicas são fabricadas com material semicondutor, ou seja, material com características intermédias entre um condutor e um isolante. 
As células mais importantes e consolidadas no mercado são as fabricadas a base de silício. 
O silício apresenta-se normalmente como areia. Através de métodos adequados obtém-se o silício em forma pura. O cristal de silício puro não possui elétrons livres e, portanto é um mau condutor elétrico. Para alterar isto acrescentam-se porcentagens de outros elementos. Este processo denomina-se dopagem.
A intensidade da corrente elétrica gerada variará na mesma proporção conforme a intensidade da luz incidente. 
Uma célula fotovoltaica não armazena energia elétrica. Apenas mantém um fluxo de elétrons estabelecidos num circuito elétrico enquanto houver incidência de luz sobre ela. Este fenômeno é denominado “Efeito fotovoltaico”. [5]
4. Tipos de células solares
1. Silício Monocristalino
Eficiência de 17-21%
a) Vantagens
· Maior eficiência dentre todas as células solares
· Menor área ocupada, visto que tem maior eficiência (Ex: Necessária duas células solares de a-Si para produzir a mesma energia que uma célula de silício monocristalino).
· Funciona melhor do que outras células solares sobre menores condições de luz.
b) Desvantagem
· Célula solar mais cara dentre todas as outras.
· Durante o processo de fabricação, parte do silício não é aproveitada e tem que ser reciclado
c) Processo de Fabricação
Etapa 1 - A lâmina de silício é submetida a uma etapa de texturação da superfície em um banho de KOH (Hidróxido de Potássio).
Etapa 2 – É feita uma limpeza RCA nas lâminas com soluções químicas, por exemplo, HCl e H2O2 (ácido clorídrico e peróxido de hidrogênio)
Etapa 3 – As amostras são colocadas em um forno de alta temperatura, a fim de, oxidar a superfície das lâminas
Etapa 4 – Em seguida, é depositada uma resina fotossensivel em uma das superfícies.
Etapa 5 – A região n+ é implementada com difusão baseada no dopante líquido POCl3
 
2. Silício Policristalino
Eficiência de 13-16,5%
a) Vantagens
· A quantidade de silício residual da fabricação da célula solar é menor do que o da célula monocristalina.
· Menor custo do que as células monocristalinas.
b) Desvantagens
· Menor eficiência do que as células monocristalinas
· Maior área ocupada do que a célula monocristalina.
3. Filme Fino
As células solares de filme fino consistem em um empilhamento de sucessivas camadas de material semicondutor, sobre um substrato vidro revestido ou metal.
a. Silício Amorfo (a-Si)
Eficiência6-9%
O silício amorfo puro é um material que apresenta péssimas propriedades ópticas e elétricas, porque ele apresenta grande quantidade de defeitos (ligações flutuantes) e tensões internas, provocadas pela distorção da rede cristalina. Mas ao adicionarmos hidrogênio a sua composição formando o silício amorfo hidrogenado, a adição de hidrogênio compensa as ligações flutuantes aliviando as tensões mecânicas, originando uma diminuição do número de defeitos formando um material com propriedades ópticas e elétricas acima das do silício amorfo puro. Além disso o silício amorfo hidrogenado possui um espectro de absorção relativamente abrupto, transporte elétrico ativado termicamente, fotoluminosidade e fotocondutividade.
Numa célula solar de silício cristalino, o campo elétrico interno é originado de uma junção PN que é uma região subdividida devido a introdução de impureza, uma do tipo p (boro) e outra do tipo n (fósforo), sendo os principais dopantes o fósforo e o boro. Os excesso de elétrons na região n passam pra região p que tem defasagem de elétrons, a passagem de elétrons cessa quando o campo elétrico forma uma barreira capaz de segurar os elétrons da região n (cessa quando há um equilíbrio buraco-elétron).
 
	Região n
 Si
	Região p
 Si
 
Nas células solares de silício amorfo hidrogenado, qualquer impureza que se difunda no material vai ser incorporada, gerando uma corrente de recombinação, essa corrente de recombinação, vai perturbar a junção PN do material, sendo necessária a introdução de uma camada intrínseca entre a junção, formando uma nova junção, a junção PIN. A camada intrínseca impede a recombinação entre as regiões p e n.
O silício amorfo hidrogenado possui baixo rendimento causado pela degradação Staebler-Wronski em que a incidência de luz sobre as ligações de Si-H, faz com que elas se quebrem e formem defeitos, que acabam por atrapalhar a passagem da corrente.
Para se solucionar tal problema a idéia é criar um material bifásico, que seria o silício amorfo hidrogenado micro/nanocristalino que consiste em ter pequenos cristais de silício incorporado ao silício amorfo, adquirindo uma maior estabilidade a degradação Staebler Wronski.
O processo de fabricação das células solares amorfas se dá pela deposição de uma camada de GZO (Gálio dopado com óxido de zinco) por pulverização catódica sobre uma superfície de vidro, após isso se deposita a junção PIN pela técnica de deposição química de vapores assistida por plasma de rádio frequência (RF-PECVD). Primeiro se forma a camada p depositando uma camada de gás silano (SiH4) com um gás dopante [(CH3)3B], após a formação da camada p, se forma a camada i formada a partir do gás silano (SiH4) diluído em gás hidrogênio (H2), e por fim é formada a camada n depositando uma camada de gás silano (SiH4) e dopante gás fosfina, por fim é depositada uma camada de alumínio ou de prata, para refletir a radiação solar que atravessa a junção PIN, reaproveitando mais ainda a radiação solar. Porém se quiser tornar o material semitransparente, pode se retirar uma parte do alumínio, mergulhando em uma solução de ataque do alumínio.
b. Telureto de Cádmio (CdTe)
Eficiência 9-11%
O telureto de cádmio, já é aplicado na tecnologia fotovoltaica a pelo menos uma década, porém apenas para pequeno porte como em aparelhos eletrônicos, ex:calculadora. É um material concorrente direto do a-Si e o CSIG e só recentemente ele começou a ser utilizado em maiores proporções, ele possui duas desvantagens que são a alta toxicidade dos materiais e a sua baixa disponibilidade. Célula com junção PN, funciona em conjunto com o sulfato de cádmio para formar a junção.
c. Seleneto de Cobre, Índio e Gálio (CSIG)
Eficiência 10-12%
É um material recente, sua produção em larga escala se iniciou em 2011, compete diretamente com o a-Si e o CdTe, tem como desvantagem a toxicidade dos materiais e sua dificuldade de produção, o que eleva seu custo. Tem bastante semelhança com o (CdTe). Célula com junção PIN.
 	d. Células orgânicas
 	As células orgânicas são muito recentes, suas vantagens são enormes, pois elas são maleáveis, aderentes, transparentes, tem um baixo custo e possibilidade de reciclagem. Suas principais desvantagens no momento são a sua baixa eficiência, alto custo e baixa durabilidade (degrada mais facilmente). A base de seu funcionamento se apresenta igual a das células convencionais (junção PN), porém com algumas diferenças, no caso a corrente elétrica é propagada pela hiperconjugação dos polímeros.
Vantagens dos Filmes Finos
· Facilidade na produção em larga escala. Tornando os mais barato que os cristalinos.
· Flexibilidade
· Menor impacto de altas temperaturas e obstruções da luz solar
Desvantagens dos Filmes Finos
· Necessidade de grande área para produção de energia.
· Menor tempo de degradação (Principalmente em células orgânicas)
4. Híbrido (Heterojunção)
 	Eficiência 20-23%
Tecnologia nova que consiste na laminação de camadas de a-Si, sobre um substrato de sílicio monocristalino, a junção dessas duas formas do silício acaba por ampliar a faixa de temperatura favorável a passagem de corrente elétrica.
5. Conclusão
 O desenvolvimento de células fotovoltaicas é uma das áreas mais promissoras para a engenharia de materiais, visto que ainda se há muito o que fazer, como encontrar materiais mais acessíveis e menos tóxicos além de melhorar a eficiência das células e sua durabilidade, visando sempre reduzir os impactos ambientais gerados pela sua produção e seu descarte.
6. Referências
[1]Fabricação de Células Solares de CdS/CdTe, Instituto Militar de engenharia. Disponível em <http://www.ime.eb.br/arquivos/teses/se4/cm/dissertacaofinal_viviennedenise.pdf> Acesso em 26/11/2016. 
[2] Células Solares de Silício Micro/Nanocristalino. Gomes, Lúcia P. Disponível em <http://www.scielo.br/pdf/rmat/v16n3/05.pdf> Acesso em 26/11/2016 
[3] Meio século de História Fotovoltáica, Vallêra, Antônio M.; Brito, Miguel. Disponível em <http://solar.fc.ul.pt/gazeta2006.pdf> Acesso em 26/11/2016.
[4] Desenvolvimento de células solares em silício tipo n com emissor formado
por Boro, Bruschi, D.L.; Moehlecke, A.; Zanesco,I. ; Costa, R.C. Disponível em <http://www.materia.coppe.ufrj.br/sarra/artigos/artigo11446/> Acesso em 26/11/2016.
[5] Vantagens e desvantagens da energia solar, site Portal Solar. Disponível em <http://www.portalsolar.com.br/vantagens-e-desvantagens-da-energia-solar.html> Acesso em 25/11/2016.
[6] Principio do funcionamento da célula fotovoltaica, Cássio Araújo do Nascimento <http://www.solenerg.com.br/files/monografia_cassio.pdf> Acesso em 26/11/2016.
[7] Tecnologia de Telureto de Cádmio. Disponível em: <http://www.eumed.net/libros-gratis/2010e/827/Tecnologia%20de%20Telureto%20de%20Cadmio.htm> Acesso em 26/11/2016.
[8] Célula Fotovoltaica. Disponível em: <http://www.portalsolar.com.br/celula-fotovoltaica.html> Acesso em 26/11/2016.
[9] Tipos de Painel Solar. Fotovoltaico. Disponível em: <http://www.portalsolar.com.br/tipos-de-painel-solar-fotovoltaico.html> Acesso em 26/11/2016.
[10] Energia Solar: Como Funciona? – Tipos de Células Fotovoltaicas. Disponível em: <http://corangeti.blogspot.com.br/2014/08/energia-solar-como-funciona-tipos-de.html> Acesso em 26/11/2016.