O silício cristalino (c-Si) é a forma cristalina do silício, quer silício multicristalino (multi-Si) constituído por pequenos cristais, quer silício monocristalino (mono-Si), um cristal contínuo. O silício cristalino é o material semicondutor dominante usado na tecnologia fotovoltaica para a produção de células solares. Essas células são montadas em painéis solares como parte de um sistema fotovoltaico para gerar energia solar a partir da luz solar.
Na eletrônica, o silício cristalino é tipicamente a forma monocristalina do silício e é usado para produzir microchips. Este silício contém níveis de impurezas muito mais baixos do que os requeridos pelas células solares. A produção de silício de grau semicondutor envolve uma purificação química para produzir polissilício hiperpuro seguido de um processo de recristalização para o crescimento de silício monocristalino. Os bocados cilíndricos são então cortados em bolachas para posterior processamento.
As células solares feitas de silício cristalino são freqüentemente chamadas de células solares convencionais, tradicionais ou de primeira geração, como foram desenvolvidas na década de 1950 e continuaram sendo o tipo mais comum até os dias de hoje. Como são produzidos a partir de lâminas solares de 160–190 µm de espessura – fatias de granéis de silício de grau solar – são algumas vezes chamadas de células solares baseadas em wafer.
As células solares feitas de c-Si são células de junção única e geralmente são mais eficientes do que suas tecnologias rivais, que são as células solares de segunda geração de filmes finos, sendo as mais importantes o CdTe, CIGS e silício amorfo (a-Si). O silício amorfo é uma variante alotrópica do silício, e amorfo significa “sem forma” para descrever sua forma não cristalina.
Visão geral
Classificação
As formas alotrópicas do silício variam de uma estrutura cristalina única a uma estrutura amorfa completamente desordenada com várias variedades intermediárias. Além disso, cada uma dessas formas diferentes pode possuir vários nomes e ainda mais abreviações, e muitas vezes causam confusão a não-especialistas, especialmente porque alguns materiais e sua aplicação como tecnologia PV são de menor importância, enquanto outros materiais são de grande importância.
Indústria PV
A indústria fotovoltaica, no entanto, agrupa-os em duas categorias distintas:
Silício cristalino (c-Si), usado em células solares tradicionais, convencionais e baseadas em wafer:
Silício monocristalino (mono-Si)
Silício multicristalino (multi-Si)
Silício de fita (fita-Si), atualmente não tem mercado
Não classificado como silício cristalino, usado em filme fino e outras tecnologias de células solares:
Silício amorfo (a-Si)
Silício Nanocristalino (nc-Si)
Silício Protocristalino (pc-Si)
Outros materiais não-silício, como CdTe, CIGS
Fotovoltaica emergente
Células solares multi-junção (MJ) comumente usadas para painéis solares em espaçonaves para energia solar baseada no espaço. Eles também são usados em fotovoltaicos concentradores (CPV, HCPV), uma tecnologia emergente mais adequada para locais que recebem muita luz solar.
Gerações
Alternativamente, diferentes tipos de células solares e / ou seus materiais semicondutores podem ser classificados por gerações:
As células solares de primeira geração são feitas de silício cristalino, também chamadas de células solares convencionais, tradicionais, baseadas em wafer e incluem materiais semicondutores monocristalinos (mono-Si) e policristalinos (multi-Si).
As células ou painéis solares de segunda geração são baseados na tecnologia de película fina e são de importância comercial significativa. Estes incluem CdTe, CIGS e silício amorfo.
As células solares de terceira geração são frequentemente rotuladas como tecnologias emergentes com pouca ou nenhuma significância de mercado e incluem uma grande variedade de substâncias, principalmente orgânicas, frequentemente usando compostos organometálicos.
Indiscutivelmente, as células fotovoltaicas de junção múltipla podem ser classificadas em nenhuma dessas gerações. Um semicondutor típico de junção tripla é feito de InGaP / (In) GaAs / Ge.
Comparação de especificações técnicas
| Categorias | Tecnologia | η (%) | V OC (V) | Eu SC (A) | W / m² | t (µm) |
|---|---|---|---|---|---|---|
| Células solares de película fina | a-Si | 11,1 | 6,3 | 0,0089 | 33 | 1 |
| CdTe | 16,5 | 0,86 | 0,029 | – | 5 | |
| CIGS | 20,5 | – | – | – |
Quota de mercado
Em 2013, a tecnologia convencional de silício cristalino dominou a produção mundial de PV, com o multi-Si liderando o mercado à frente do mono-Si, representando 54% e 36%, respectivamente. Nos últimos dez anos, o market share mundial de tecnologias de filme fino estagnou abaixo de 18% e atualmente está em 9%. No mercado de películas finas, o CdTe lidera com uma produção anual de 2 GWp ou 5%, seguido por a-Si e CIGS, ambos em torno de 2%: 4,18 Alltime implantou capacidade fotovoltaica de 139 gigawatts (acumulado a partir de 2013) divide-se em silício cristalino de 121 GW (87%) e 18 GW de filme fino (13%).
Eficiência
A eficiência de conversão de dispositivos fotovoltaicos descreve a relação de energia da energia elétrica de saída em comparação com a luz irradiada de entrada. Uma única célula solar geralmente tem uma eficiência melhor ou maior do que um módulo solar inteiro. Também a eficiência do laboratório está sempre significativamente à frente dos produtos comercialmente disponíveis no mercado.
Células de laboratório
Em 2013, a eficiência das células de laboratório foi maior para o silício cristalino. No entanto, o silício múltiplo é seguido de perto pelas células solares de cobre-índio-telureto e cobre-índio-gálio-seleneto.
25,6% – célula mono-Si
20,4% – célula multi-Si
21,7% – célula CIGS
21,5% – célula de CdTe
Estas são todas células solares de junção única. Para alta concentração, células multi-junção, o recorde de 2014 foi de 44,7%.
Módulos
O módulo comercial médio de silício cristalino aumentou sua eficiência de cerca de 12 para 16% nos últimos dez anos. No mesmo período, os módulos CdTe melhoraram sua eficiência de 9 para 16%.Os módulos com melhor desempenho sob condições de laboratório em 2014 foram feitos de silício monocristalino. Eles estavam 7 pontos percentuais acima da eficiência dos módulos produzidos comercialmente (23% vs 16%), o que indicava que a tecnologia convencional de silício ainda tinha potencial para melhorar e, portanto, manter sua posição de liderança.
As melhores eficiências do módulo de laboratório para módulos multi-junção com tecnologia de concentrador em 2014 alcançaram 36,7% de eficiência.
Tempo de recuperação de energia
O tempo de retorno de energia (EPBT) descreve o intervalo de tempo que um sistema fotovoltaico precisa operar para gerar a mesma quantidade de energia usada para sua fabricação e instalação.Essa amortização de energia, dada em anos, também é conhecida como tempo de retorno do investimento em energia de equilíbrio. O EPBT depende muito do local onde o sistema fotovoltaico está instalado (por exemplo, a quantidade de luz solar disponível) e da eficiência do sistema, nomeadamente o tipo de tecnologia fotovoltaica e os componentes do sistema.
Na análise do ciclo de vida (ACV) da década de 1990, o tempo de retorno da energia foi frequentemente citado como sendo de 10 anos. Embora o período de tempo já tenha diminuído para menos de 3 anos no início dos anos 2000, o mito de que “a energia solar fotovoltaica não devolve a energia usada para criá-la” parece persistir até os dias atuais.
O EPBT relaciona-se estreitamente com os conceitos de ganho de energia líquido (NEG) e energia retornada na energia investida (EROI). Ambos são usados em economia de energia e referem-se à diferença entre a energia gasta para colher uma fonte de energia e a quantidade de energia obtida com a colheita. O NEG e o EROI também levam em conta a vida útil de um sistema fotovoltaico e uma vida útil de produção de 25 a 30 anos é normalmente assumida, já que muitos fabricantes fornecem uma garantia de 25 anos para seus produtos. A partir dessas métricas, o tempo de retorno de energia pode ser obtido por cálculo.
Tempo de Retorno de Energia em Anos para diferentes locais e tecnologias
| Localização Exemplos |
Silício Cristalino | Filme fino | CPV | Radiação | ||||
|---|---|---|---|---|---|---|---|---|
| Mono | Multi | a-Si | CIGS | CdTe | ||||
| Europa do Norte e Central, Canadá | 3.3 | 2,1 | 2,4 | 1,7 | 1,1 | – | 1200 kWh | |
| Sul da Europa, EUA, América do Sul, Índia | 1,8 | 1,2 | 1,3 | 0,9 | 0,7 | 0,8 | 1700 kWh | |
| Sudoeste americano, Austrália, África, Oriente Médio | 1,5 | <1,2 | 0,9 | <0,9 | <0,7 | <0,8 | 1900 kWh | |
| Fonte: Fraunhofer FHI, Tempo de Retorno de Energia, slides de apresentação e relatório fotovoltaico, p. 30–32 Tabela: kWh / m² / a – quilowatts-hora por metro quadrado por ano, como Irradiação Horizontal Global |
||||||||
Melhorias no EPBT
O EPBT sempre foi mais longo para sistemas fotovoltaicos usando silício cristalino do que a tecnologia de filme fino. Isso se deve ao fato de que o silício é produzido pela redução de areia de quartzo de alta qualidade em fornos elétricos. Este processo de fundição hidrotérmico ocorre em altas temperaturas de mais de 1000 ° C e é muito intensivo em energia, usando cerca de 11 quilowatts-hora (kWh) por quilograma de silício produzido. No entanto, o tempo de recuperação de energia encurtou significativamente nos últimos anos, à medida que as células de silício cristalino tornaram-se cada vez mais eficientes na conversão da luz solar, enquanto a espessura do material da bolacha foi reduzida constantemente e, portanto, exigiu menos silício para sua fabricação. Nos últimos dez anos, a quantidade de silício usada para células solares diminuiu de 16 para 6 gramas por watt-pico. No mesmo período, a espessura de uma bolacha de c-Si foi reduzida de 300 µm, ou microns, para cerca de 160–190 µm. Atualmente, as pastilhas de silício cristalino são apenas 40% mais grossas do que costumavam ser em 1990, quando tinham cerca de 400 µm: 29 As técnicas de corte que dividem lingotes de silício cristalino em pastilhas também melhoraram, reduzindo a perda de kerf e facilitando o trabalho. reciclar a serragem de silício.
Parâmetros-chave para material e eficiência energética
<table>
<tbody>
<tr>
<th> Parâmetro </ th>
<th> Mono-Si </ th>
<th> CdTe </ th>
</ tr>
<tr>
<td> Eficiência da célula </ td>
<td> 16,5% </ td>
<td> 15,6% </ td>
</ tr>
<tr>
<td> Derate célula para eficiência do módulo </ td>
<td> 8,5% </ td>
<td> 13,9% </ td>
</ tr>
<tr>
<td> Eficiência do módulo </ td>
<td> 15,1% </ td>
<td> 13,4% </ td>
</ tr>
<tr>
<td> Espessura da camada / espessura da camada </ td>
<td> 190 µm </ td>
<td> 4,0 µm </ td>
</ tr>
<tr>
<td> perda de Kerf </ td>
<td> 190 µm </ td>
<td> – </ td>
</ tr>
<tr>
<td> Prata por célula </ td>
<td> 9,6 g / m <sup> 2 </ sup> </ td>
<td> – </ td>
</ tr>
<tr>
<td> Espessura do vidro </ td>
<td> 4,0 mm </ td>
<td> 3,5 mm </ td>
</ tr>
<tr>
<td> Tempo de vida operacional </ td>
<td> 30 anos </ td>
<td> 30 anos </ td>
</ tr>
<tr>
<th colspan = “3”> Fonte: <i> IEA-PVPS, Avaliação do Ciclo de Vida, março de 2015 </ i> </ th>
</ tr>
</ tbody>
</ table>
Toxicidade
Com exceção do silício amorfo, a maioria das tecnologias fotovoltaicas estabelecidas comercialmente usa metais pesados tóxicos. O CIGS frequentemente usa uma camada de buffer de CdS, e o material semicondutor da própria tecnologia de CdTe contém o cádmio tóxico (Cd). No caso dos módulos de silício cristalino, o material de solda, que une as cordas de cobre das células, contém cerca de 36 por cento de chumbo (Pb). Além disso, a pasta usada para impressão na tela dos contatos dianteiros e traseiros contém vestígios de Pb e, às vezes, de Cd. Estima-se que cerca de 1.000 toneladas métricas de Pb tenham sido usadas para 100 gigawatts de módulos solares c-Si.No entanto, não há necessidade fundamental de chumbo na liga de solda.
Tecnologias celulares
Célula solar PERC
As células solares de contato traseiro com emissor passivado (PERC) consistem na adição de uma camada extra na parte traseira de uma célula solar. Esta camada passiva dielétrica atua refletindo a luz não absorvida de volta à célula solar para uma segunda tentativa de absorção, aumentando a eficiência da célula solar.
Um PERC é criado através de um processo adicional de deposição e gravação de filmes. A gravação pode ser feita por processamento químico ou a laser.
Célula solar HIT
Uma célula solar HIT é composta por uma bolacha de silício mono cristalino fina rodeada por camadas finas de silício amorfo. O acrônimo HIT significa Heterojunção com camada fina intrínseca.As células HIT são produzidas pela multinacional japonesa de eletrônicos Panasonic (veja também a Sanyo § Células e plantas solares). A Panasonic e vários outros grupos relataram várias vantagens do projeto HIT em relação à sua tradicional contraparte c-Si, eles são:
1. Uma camada a-Si intrínseca pode atuar como uma camada de passivação superficial efetiva para a pastilha c-Si.
2. O a + Si dopado com p + / n + funciona como um emissor / BSF eficaz para a célula.
3. As camadas a-Si são depositadas a temperaturas muito mais baixas, comparadas às temperaturas de processamento da tecnologia tradicional c-Si difusa.
4. A célula HIT possui um coeficiente de temperatura mais baixo em comparação com a tecnologia de células c-Si.
Devido a todas estas vantagens, esta nova célula solar de hetero-junção é considerada uma promissora alternativa de baixo custo para as tradicionais células solares baseadas em c-Si.
Fabricação de células HIT
Os detalhes da seqüência de fabricação variam de grupo para grupo. Tipicamente, boa qualidade, pastilhas de c-Si cultivadas em CZ / FZ (com ~ 1 ms de vida útil) são usadas como a camada absorvente de células HIT. Usando adesivos ácidos alcalinos, tais como NaOH ou (CH3) 4NOH, a superfície (100) da bolacha é texturizada para formar as pirâmides de 5-10μm de altura. Em seguida, a bolacha é limpa usando soluções de peróxido e HF. Isto é seguido pela deposição da camada intrínseca de passivação a-Si, tipicamente através de PECVD ou CVD de fio quente. O gás silano (SiH4) diluído com H2 é utilizado como precursor. A temperatura e pressão de deposição são mantidas a 200 ° C e 0,1-1 Torr. O controle preciso sobre esta etapa é essencial para evitar a formação de Si epitaxial defeituoso. Ciclos de deposição e recozimento e tratamento com plasma de H2 mostraram ter excelente passivação superficial. Utiliza-se diborano ou trimetilborano gasoso misturado com SiH4 para depositar a camada a-Si do tipo p, enquanto que o gás fosfina misturado com SiH4 é utilizado para depositar a camada a-Si do tipo n. Deve notar-se que a deposição directa de camadas de a-Si dopadas na bolacha de c-Si mostra ter propriedades de passivação muito fracas. Isto é provavelmente devido à geração de defeitos induzida pelo dopante em camadas a-Si.O Óxido de Estanho Sputtered Indio (ITO) é comumente usado como uma camada transparente de óxido condutor (TCO) na parte superior da camada frontal e traseira a-Si em design bi-facial, já que a-Si tem alta resistência lateral. É geralmente depositado no lado de trás, bem como célula totalmente metalizada para evitar a difusão do metal de fundo e também para a correspondência de impedância para a luz refletida. A grade de prata / alumínio de 50-100μm de espessura é depositada através de estêncil para o contato frontal e posterior para design bi-facial. A descrição detalhada do processo de fabricação pode ser encontrada em.
Modelagem Opto-Elétrica e Caracterização de Células HIT
A literatura discute vários estudos para interpretar os gargalos de transporte de portadores nessas células. A luz tradicional e a IV escura são extensivamente estudadas e observam-se várias características não triviais, que não podem ser explicadas usando a tradicional teoria de diodo de célula solar. Isto é devido à presença de hetero-junção entre a camada intrínseca a-Si e a pastilha c-Si, que introduz complexidades adicionais ao fluxo de corrente. Além disso, tem havido esforços significativos para caracterizar esta célula solar usando CV, espectroscopia de impedância, foto-voltagem de superfície, sóis-Voc para produzir informação complementar.
Além disso, uma série de melhorias de projeto, tais como, o uso de novos emissores, configuração bifacial, configuração bifacial-tandem de configuração de contato inverso interdigitado (IBC) estão sendo ativamente buscadas.
Monossilício
O silício monocristalino (mono c-Si) é uma forma na qual a estrutura cristalina é homogênea em todo o material; a orientação, o parâmetro de rede e as propriedades eletrônicas são constantes em todo o material. Átomos dopantes como fósforo e boro são freqüentemente incorporados ao filme para fazer o tipo n de silício ou tipo p, respectivamente. O silício monocristalino é fabricado na forma de bolachas de silício, geralmente pelo método Czochralski Growth, e pode ser bastante caro, dependendo do tamanho radial da bolacha de cristal único desejada (cerca de US $ 200 para uma bolacha Si de 300 mm). Este material monocristalino, embora útil, é uma das principais despesas associadas à produção de energia fotovoltaica, em que aproximadamente 40% do preço final do produto é atribuível ao custo da pastilha de silício utilizada na fabricação de células.
Multi-silício
O silício multicristalino (multi c-Si) é composto de muitos grãos de silício menores de orientação cristalográfica variada, geralmente com tamanho de 1 mm. Este material pode ser sintetizado facilmente permitindo que o silício líquido resfrie usando um cristal semente da estrutura cristalina desejada. Além disso, existem outros métodos para a formação de silício policristalino de menor granulometria (poli-Si), tais como a deposição de vapor químico de alta temperatura (CVD).
Não classificado como silício cristalino
Essas formas alotrópicas de silício não são classificadas como silício cristalino. Eles pertencem ao grupo de células solares de película fina.
Silício amorfo
O silício amorfo (a-Si) não tem ordem periódica de longo alcance. A aplicação do silício amorfo à energia fotovoltaica como material autônomo é de certa forma limitada por suas propriedades eletrônicas inferiores. Quando emparelhado com silício microcristalino em células solares de junção e tripla, no entanto, maior eficiência pode ser obtida do que com células solares de junção única.Esta montagem em conjunto de células solares permite obter um material de película fina com um bandgap de cerca de 1,12 eV (o mesmo que o silício monocristalino) em comparação com o bandgap de silício amorfo de 1,7-1,8 eV bandgap. As células solares tandem são então atraentes, uma vez que podem ser fabricadas com um bandgap semelhante ao silício monocristalino, mas com a facilidade do silício amorfo.
Silício Nanocristalino
O silício nanocristalino (nc-Si), às vezes também conhecido como silício microcristalino (μc-Si), é uma forma de silício poroso. É uma forma alotrópica de silício com estrutura paracristalina – é semelhante ao silício amorfo (a-Si), na medida em que tem uma fase amorfa. Onde eles diferem, no entanto, é que nc-Si tem pequenos grãos de silício cristalino dentro da fase amorfa. Isto está em contraste com o silício policristalino (poli-Si) que consiste unicamente de grãos de silício cristalinos, separados por limites de grão. A diferença vem unicamente do tamanho dos grãos cristalinos. A maioria dos materiais com grãos na faixa de micrometros é, na verdade, polissilício de grão fino, então o silício nanocristalino é um termo melhor. O termo silício nanocristalino refere-se a uma gama de materiais em torno da região de transição da fase amorfa à microcristalina na película fina de silício.
Silício protocristalino
O silício protocristalino tem uma eficiência mais alta que o silício amorfo (a-Si) e também foi mostrado que melhora a estabilidade, mas não a elimina. Uma fase protocristalina é uma fase distinta que ocorre durante o crescimento do cristal e evolui para uma forma microcristalina.
O Si protocristalino também tem uma absorção relativamente baixa perto do gap devido à sua estrutura cristalina mais ordenada. Assim, o silício protocristalino e amorfo pode ser combinado numa célula solar em tandem onde a camada superior de silício protocristalino fino absorve a luz de comprimento de onda curto enquanto que os comprimentos de onda mais longos são absorvidos pelo substrato subjacente a-Si.
Transformação de amorfo em silício cristalino
O silício amorfo pode ser transformado em silício cristalino usando processos de recozimento de alta temperatura bem compreendidos e amplamente implementados. O método típico usado na indústria requer materiais compatíveis com alta temperatura, tais como vidro especial de alta temperatura que é caro para produzir. No entanto, existem muitas aplicações para as quais este é um método de produção intrinsecamente pouco atraente.
Cristalização induzida por baixa temperatura
Células solares flexíveis têm sido um tópico de interesse para geração de energia menos conspícua integrada do que as fazendas de energia solar. Esses módulos podem ser colocados em áreas onde as células tradicionais não seriam viáveis, como em torno de um poste telefônico ou torre de celular.Nesta aplicação, um material fotovoltaico pode ser aplicado a um substrato flexível, muitas vezes um polímero. Tais substratos não podem sobreviver às altas temperaturas experimentadas durante o recozimento tradicional. Em vez disso, novos métodos de cristalização do silício sem perturbar o substrato subjacente foram estudados extensivamente. A cristalização induzida por alumínio (AIC) e a cristalização a laser local são comuns na literatura, porém não amplamente utilizadas na indústria.
Em ambos os métodos, o silício amorfo é cultivado usando técnicas tradicionais, como a deposição química a vapor aumentada por plasma (PECVD). Os métodos de cristalização divergem durante o processamento pós-deposição.
Na cristalização induzida por alumínio, uma fina camada de alumínio (50 nm ou menos) é depositada por deposição física de vapor sobre a superfície do silício amorfo. Esta pilha de material é então recozida a uma temperatura relativamente baixa entre 140 ° C e 200 ° C em vácuo.Acredita-se que o alumínio que se difunde no silício amorfo enfraqueça as ligações de hidrogênio presentes, permitindo a nucleação e o crescimento dos cristais. Experimentos mostraram que o silício policristalino com grãos na ordem de 0,2 – 0,3 μm pode ser produzido em temperaturas tão baixas quanto 150 ° C. A fração de volume do filme que é cristalizado depende do comprimento do processo de recozimento.
A cristalização induzida pelo alumínio produz silício policristalino com propriedades cristalográficas e eletrônicas adequadas que o tornam um candidato para a produção de filmes finos policristalinos para fotovoltaicos. AIC pode ser usada para gerar nanofios de silício cristalino e outras estruturas em escala nanométrica.
Outro método para obter o mesmo resultado é o uso de um laser para aquecer o silício localmente sem aquecer o substrato subjacente além do limite superior de temperatura. Um laser de excímero ou, alternativamente, lasers verdes tais como um laser de Nd: YAG duplicado em frequência são usados para aquecer o silício amorfo, fornecendo energia necessária para o crescimento de grão nucleado. A fluência do laser deve ser cuidadosamente controlada para induzir a cristalização sem causar fusão generalizada. A cristalização do filme ocorre quando uma porção muito pequena do filme de silício é derretida e deixada esfriar. Idealmente, o laser deve derreter o filme de silício através de toda a sua espessura, mas não danificar o substrato. Para este fim, uma camada de dióxido de silício é por vezes adicionada para agir como uma barreira térmica. Isso permite o uso de substratos que não podem ser expostos a altas temperaturas de recozimento padrão, polímeros, por exemplo. As células solares com suporte de polímero são de interesse para esquemas de produção de energia integrados sem interrupções que envolvem a colocação de energia fotovoltaica em superfícies cotidianas.
Um terceiro método para cristalizar silício amorfo é o uso de jato de plasma térmico. Essa estratégia é uma tentativa de aliviar alguns dos problemas associados ao processamento a laser – ou seja, a pequena região de cristalização e o alto custo do processo em uma escala de produção. A tocha de plasma é uma peça simples de equipamento que é usada para unir termicamente o silício amorfo.Em comparação com o método a laser, esta técnica é mais simples e mais rentável.
O recozimento da tocha por plasma é atraente porque os parâmetros do processo e a dimensão do equipamento podem ser facilmente alterados para produzir níveis variados de desempenho. Um alto nível de cristalização (~ 90%) pode ser obtido com este método. As desvantagens incluem dificuldade em conseguir uniformidade na cristalização do filme. Embora este método seja aplicado com freqüência ao silício em um substrato de vidro, as temperaturas de processamento podem ser muito altas para polímeros.