Uma célula solar de película fina é uma célula solar de segunda geração que é feita depositando uma ou mais camadas finas, ou película fina (TF) de material fotovoltaico em um substrato, como vidro, plástico ou metal. As células solares de película fina são utilizadas comercialmente em várias tecnologias, incluindo telureto de cádmio (CdTe), disseleneto de cobre índio-gálio (CIGS) e silício de película fina amorfa (a-Si, TF-Si).

A espessura do filme varia de poucos nanômetros (nm) a dezenas de micrômetros (µm), muito mais fina que a tecnologia rival de filme fino, a célula solar convencional de silício cristalino de primeira geração (c-Si), que usa wafers de até 200 µm Isso permite que as células de filme fino sejam flexíveis e de menor peso. É usado na construção de fotovoltaicos integrados e como material de vidro fotovoltaico semitransparente que pode ser laminado nas janelas. Outras aplicações comerciais utilizam painéis solares de película fina rígida (colocados entre dois painéis de vidro) em algumas das maiores centrais fotovoltaicas do mundo.

A tecnologia de filme fino sempre foi mais barata, mas menos eficiente que a tecnologia convencional c-Si. No entanto, melhorou significativamente ao longo dos anos. A eficiência da célula de laboratório para CdTe e CIGS está agora acima de 21%, superando o silício multicristalino, o material dominante atualmente usado na maioria dos sistemas solares fotovoltaicos.: 23,24 Testes de vida acelerados de módulos de filmes finos sob condições de laboratório mediram uma degradação um pouco mais rápida PV convencional, enquanto uma vida de 20 anos ou mais é geralmente esperada. Apesar dessas melhorias, a participação de mercado do filme fino nunca chegou a mais de 20% nas últimas duas décadas e vem declinando nos últimos anos para cerca de 9% das instalações fotovoltaicas em todo o mundo em 2013.: 18,19

Outras tecnologias de filme fino que ainda estão em um estágio inicial de pesquisa em andamento ou com disponibilidade comercial limitada são frequentemente classificadas como células fotovoltaicas emergentes ou de terceira geração e incluem células solares orgânicas, sensibilizadas por corantes e de polímeros, bem como pontos quânticos células solares de sulfeto de zinco, nanocristais, micromorfos e perovskita.

Tipos
Muitos dos materiais fotovoltaicos são fabricados com diferentes métodos de depósito em uma variedade de substratos. As células solares de película fina são geralmente classificadas de acordo com o material fotovoltaico usado:

Silício amorfo (a-Si) e outro silício de filme fino (TF-Si)
Telureto de Cádmio (CdTe)
Cobre índio gálio e selênio (CIS ou CIGS)
Células solares sensibilizadas por corante (DSC) e outras células solares orgânicas.

História
Células de filme fino são bem conhecidas desde o final dos anos 1970, quando calculadoras solares movidas por uma pequena tira de silício amorfo apareceram no mercado.

Está agora disponível em módulos muito grandes utilizados em instalações integradas de edifícios sofisticadas e sistemas de carregamento de veículos.

Embora se espere que a tecnologia de filme fino faça avanços significativos no mercado e ultrapasse a tecnologia de silício cristalino dominante dominante (c-Si) no mercado de longo prazo, a participação de mercado vem declinando há vários anos. Enquanto em 2010, quando havia falta de módulos fotovoltaicos convencionais, o filme fino representava 15% do mercado total, caiu para 8% em 2014 e deve se estabilizar em 7% a partir de 2015, com o esperado silício amorfo perder metade de sua participação no mercado até o final da década.

Materiais
As tecnologias de filme fino reduzem a quantidade de material ativo em uma célula. A maioria de material ativo do sanduíche entre dois painéis de vidro. Como os painéis solares de silício utilizam apenas um painel de vidro, os painéis de película fina são aproximadamente duas vezes mais pesados ​​que os painéis de silício cristalino, embora tenham um impacto ecológico menor (determinado a partir da análise do ciclo de vida). A maioria dos painéis de filme tem 2-3 pontos percentuais de eficiência de conversão mais baixas do que o silício cristalino. O telureto de cádmio (CdTe), o seleneto de cobre índio-gálio (CIGS) e o silício amorfo (a-Si) são três tecnologias de película fina frequentemente utilizadas em aplicações externas.

Telureto de cádmio
Telureto de cádmio (CdTe) é a tecnologia predominante de filme fino. Com cerca de 5% da produção mundial de PV, é responsável por mais da metade do mercado de filmes finos. A eficiência do laboratório da célula também aumentou significativamente nos últimos anos e está em pé de igualdade com a película fina CIGS e próxima da eficiência do silício multi-cristalino a partir de 2013.24–25 Além disso, o CdTe tem o menor tempo de retorno energético de toda a massa. Produzidos por PV, e podem chegar a oito meses em locais favoráveis.:31 Um proeminente fabricante é a empresa norte-americana First Solar, com sede em Tempe, Arizona, que produz painéis de CdTe com uma eficiência de cerca de 14%. custo de US $ 0,59 por watt.

Embora a toxicidade do cádmio possa não ser um problema tão grande e preocupações ambientais completamente resolvidas com a reciclagem de módulos de CdTe no final da sua vida útil, ainda existem incertezas e a opinião pública é céptico em relação a esta tecnologia. O uso de materiais raros também pode se tornar um fator limitante para a escalabilidade industrial da tecnologia de filme fino CdTe. A raridade do telúrio – da qual o telureto é a forma aniônica – é comparável à platina da crosta terrestre e contribui significativamente para o custo do módulo.

Seleneto de cobre e índio gálio
Uma célula solar de cobre selênio gálio índio ou célula CIGS usa um absorvedor feito de cobre, índio, gálio, seleneto (CIGS), enquanto variantes livres de gálio do material semicondutor são abreviadas CIS. É uma das três principais tecnologias de filmes finos, sendo os outros dois telureto de cádmio e silício amorfo, com uma eficiência de laboratório acima de 20% e uma participação de 2% no mercado fotovoltaico geral em 2013. Um proeminente fabricante de CIGS cilíndricos painéis era a empresa agora falida Solyndra em Fremont, Califórnia. Os métodos tradicionais de fabricação envolvem processos de vácuo, incluindo co-evaporação e pulverização catódica. Em 2008, a IBM e a Tokyo Ohka Kogyo Co., Ltd. (TOK) anunciaram que desenvolveram um novo processo de fabricação baseado em solução, sem vácuo, para as células CIGS e buscam eficiências de 15% e além.

Imagiologia hiperespectral tem sido usada para caracterizar estas células. Pesquisadores do IRDEP (Instituto de Pesquisa e Desenvolvimento em Energia Fotovoltaica) em colaboração com Photon etc.¸ foram capazes de determinar a divisão do nível quasi-Fermi com o mapeamento de fotoluminescência enquanto os dados de eletroluminescência foram usados ​​para derivar a eficiência quântica externa (EQE) . Além disso, através de um experimento de cartografia de corrente induzida por feixe de luz (LBIC), o EQE de uma célula solar microcristalina CIGS poderia ser determinado em qualquer ponto no campo de visão.

Em setembro de 2014, o registro atual de eficiência de conversão para uma célula CIGS de laboratório era de 21,7%.

Silício
Três grandes projetos de módulos baseados em silício dominam:

células de silício amorfo
células tandem amorfas / microcristalinas (micromorfos)
silício policristalino de película fina em vidro.

Silício amorfo
O silício amorfo (a-Si) é uma forma alotrópica não cristalina de silício e a tecnologia de película fina mais bem desenvolvida até hoje. Silício de filme fino é uma alternativa ao silício cristalino wafer convencional (ou a granel). Embora as células de filmes finos CdTe e CIS com base em calcogeneto tenham sido desenvolvidas em laboratório com grande sucesso, ainda há interesse da indústria em células de filme fino à base de silício. Os dispositivos baseados em silício exibem menos problemas do que os seus homólogos de CdTe e CIS, tais como problemas de toxicidade e humidade com células de CdTe e baixos rendimentos de fabrico do CIS devido à complexidade do material. Além disso, devido à resistência política ao uso de materiais não “verdes” na produção de energia solar, não há estigma no uso de silício padrão.

Esse tipo de célula de filme fino é fabricado principalmente por uma técnica chamada de deposição de vapor químico aprimorada por plasma. Utiliza uma mistura gasosa de silano (SiH4) e hidrogênio para depositar uma camada muito fina de apenas 1 micrômetro (µm) de silício em um substrato, como vidro, plástico ou metal, que já foi revestido com uma camada transparente de condutor. óxido. Outros métodos usados ​​para depositar silício amorfo em um substrato incluem técnicas de deposição de vapor químico por fio quente e sputtering.

O a-Si é atraente como material de células solares porque é um material abundante e não tóxico. Ele requer uma baixa temperatura de processamento e permite uma produção escalonável em um substrato flexível e de baixo custo, com pouco material de silício necessário. Devido ao seu bandgap de 1,7 eV, o silício amorfo também absorve uma gama muito ampla do espectro de luz, que inclui infravermelho e até mesmo alguns ultravioleta e funciona muito bem com luz fraca. Isso permite que a célula gere energia no início da manhã ou no final da tarde e em dias nublados e chuvosos, ao contrário das células de silício cristalino, que são significativamente menos eficientes quando expostas à luz do dia difusa e indireta.

No entanto, a eficiência de uma célula a-Si sofre uma queda significativa de cerca de 10 a 30 por cento durante os primeiros seis meses de operação. Isso é chamado de efeito Staebler-Wronski (SWE) – uma perda típica na saída elétrica devido a mudanças na fotocondutividade e na condutividade escura causadas pela exposição prolongada à luz solar. Embora esta degradação seja perfeitamente reversível após recozimento a ou acima de 150 ° C, as células solares c-Si convencionais não exibem este efeito em primeiro lugar.

Sua estrutura eletrônica básica é a junção de pinos. A estrutura amorfa do a-Si implica alta desordem inerente e ligações pendentes, tornando-se um mau condutor para portadores de carga. Essas ligações pendentes atuam como centros de recombinação que reduzem severamente a vida útil da portadora. Uma estrutura de pino é normalmente usada, ao contrário de uma estrutura de aperto. Isso ocorre porque a mobilidade de elétrons em a-Si: H é aproximadamente 1 ou 2 ordens de grandeza maior que a de buracos e, portanto, a taxa de coleta de elétrons que se move do contato tipo n para p é melhor que p para contato do tipo n. Portanto, a camada tipo-p deve ser colocada no topo, onde a intensidade da luz é mais forte, de modo que a maioria dos portadores de carga que cruzam a junção sejam elétrons.

Célula em tandem usando a-Si / μc-Si
Uma camada de silício amorfo pode ser combinada com camadas de outras formas alotrópicas de silício para produzir uma célula solar multi-junção. Quando apenas duas camadas (duas junções pn) são combinadas, ela é chamada de célula em série. Ao empilhar essas camadas umas sobre as outras, uma gama mais ampla do espectro de luz é absorvida, melhorando a eficiência geral da célula.

Em silício micromórfico, uma camada de silício microcristalino (μc-Si) é combinada com silício amorfo, criando uma célula em tandem. A camada superior a-Si absorve a luz visível, deixando a parte infravermelha na camada inferior μc-Si. O conceito micromorfico de células empilhadas foi pioneiro e patenteado no Instituto de Microtecnologia (IMT) da Universidade de Neuchâtel, na Suíça, e foi licenciado para a TEL Solar. Um novo módulo fotovoltaico de registro mundial baseado no conceito micromorfo com 12,24% de eficiência do módulo foi certificado de forma independente em julho de 2014.

Como todas as camadas são feitas de silício, elas podem ser fabricadas usando o PECVD. O intervalo de bandas de a-Si é de 1,7 eV e o de c-Si é de 1,1 eV. A camada de c-Si pode absorver a luz vermelha e infravermelha. A melhor eficiência pode ser alcançada na transição entre a-Si e c-Si. Como o silício nanocristalino (nc-Si) tem aproximadamente o mesmo bandgap que o c-Si, o nc-Si pode substituir o c-Si.

Célula em tandem usando a-Si / pc-Si
O silício amorfo também pode ser combinado com o silício protocristalino (pc-Si) em uma célula em tandem. O silício protocristalino com uma fração de baixo volume de silício nanocristalino é ideal para alta tensão de circuito aberto. Esses tipos de silício apresentam ligações pendentes e torcidas, o que resulta em defeitos profundos (níveis de energia no bandgap), bem como deformação das bandas de valência e condução (caudas de faixa).

Silício policristalino em vidro
Uma nova tentativa de fundir as vantagens do silício a granel com as dos dispositivos de película fina é o silício policristalino de película fina em vidro. Estes módulos são produzidos depositando um revestimento antirreflexo e silício dopado em substratos de vidro texturizado usando deposição de vapor químico melhorada por plasma (PECVD). A textura do vidro aumenta a eficiência da célula em aproximadamente 3%, reduzindo a quantidade de luz incidente que reflete a célula solar e aprisionando a luz dentro da célula solar. O filme de silício é cristalizado por uma etapa de recozimento, temperaturas de 400 a 600 graus Celsius, resultando em silício policristalino.

Esses novos dispositivos mostram eficiências de conversão de energia de 8% e altos rendimentos de fabricação de> 90%. O silício cristalino em vidro (CSG), onde o silício policristalino é de 1 a 2 micrômetros, é conhecido por sua estabilidade e durabilidade; o uso de técnicas de filme fino também contribui para uma redução de custos em relação à energia fotovoltaica em massa. Esses módulos não exigem a presença de uma camada de óxido condutor transparente. Isso simplifica o processo de produção em duas partes; Esta etapa não só pode ser ignorada, como a ausência dessa camada torna o processo de construção de um esquema de contato muito mais simples. Ambas as simplificações reduzem ainda mais o custo de produção. Apesar das numerosas vantagens em relação ao design alternativo, as estimativas de custo de produção em uma base por unidade de área mostram que esses dispositivos são comparáveis ​​em custo a células de película fina amorfas de junção única.

Arsenieto de gálio
O material semicondutor arseneto de gálio (GaAs) também é usado para células solares de película fina monocristalinas. Embora as células de GaAs sejam muito caras, elas detêm o recorde mundial de células solares de junção única de maior eficiência, com 28,8%. O GaAs é mais comumente usado em células solares com múltiplas junções para painéis solares em espaçonaves, já que a indústria favorece a eficiência sobre o custo da energia solar baseada no espaço (células InGaP / (In) GaAs / Ge). Eles também são usados ​​em fotovoltaicos concentradores, uma tecnologia emergente mais adequada para locais que recebem muita luz solar, usando lentes para concentrar a luz solar em uma célula solar de concentrador de GaAs muito menor e, portanto, menos dispendiosa.

Fotovoltaica emergente
O Laboratório Nacional de Energia Renovável (NREL) classifica uma série de tecnologias de filme fino como energia fotovoltaica emergente – a maioria delas ainda não foi aplicada comercialmente e ainda está em fase de pesquisa ou desenvolvimento. Muitos usam materiais orgânicos, muitas vezes compostos organometálicos, bem como substâncias inorgânicas. Apesar do fato de que suas eficiências foram baixas e a estabilidade do material absorvente muitas vezes era muito curta para aplicações comerciais, há muita pesquisa investida nessas tecnologias, uma vez que elas prometem alcançar o objetivo de produzir produtos de baixo custo e alta eficiência. células solares.

Os fotovoltaicos emergentes, frequentemente chamados de células fotovoltaicas de terceira geração, incluem:

Célula solar de sulfeto de zinco de cobre (CZTS) e seus derivados CZTSe e CZTSSe
Célula solar sensibilizada por corante, também conhecida como “célula de Grätzel”
Célula solar orgânica
Célula solar de perovskita
Célula solar de polímero
Célula solar de ponto quântico

Especialmente as conquistas na pesquisa de células de perovskita receberam grande atenção do público, já que suas eficiências de pesquisa recentemente aumentaram acima de 20%. Eles também oferecem um amplo espectro de aplicativos de baixo custo. Além disso, outra tecnologia emergente, a fotovoltaica concentradora (CPV), utiliza células solares multi-junção de alta eficiência em combinação com lentes ópticas e um sistema de rastreamento.

Eficiências
Melhorias incrementais na eficiência começaram com a invenção da primeira célula solar de silício moderna em 1954. Até 2010, essas melhorias constantes resultaram em módulos capazes de converter 12 a 18% da radiação solar em eletricidade. As melhorias na eficiência continuaram a acelerar nos anos desde 2010, conforme mostrado no gráfico anexo.

Células feitas de materiais mais novos tendem a ser menos eficientes do que o silício a granel, mas são menos caras de produzir. Sua eficiência quântica também é menor devido ao número reduzido de portadores de carga coletados por fóton de incidente.

O desempenho e o potencial dos materiais de película fina são altos, atingindo eficiências celulares de 12 a 20%; eficiências do módulo protótipo de 7–13%; e módulos de produção na faixa de 9%. O protótipo de célula de filme fino com a melhor eficiência rende 20,4% (First Solar), comparável à melhor eficiência de protótipo de célula solar convencional de 25,6% da Panasonic.

NREL uma vez [quando?] Previu que os custos cairiam abaixo de US $ 100 / m2 em volume de produção, e mais tarde poderiam cair abaixo de US $ 50 / m2.

Um novo recorde de eficiência de célula solar de película fina de 22,3% foi alcançado pela fronteira solar, o maior fornecedor de energia solar cis do mundo. Em pesquisa conjunta com a Organização de Desenvolvimento de Nova Tecnologia e Energia Industrial (NEDO) do Japão, a Solar Frontier alcançou 22,3% de eficiência de conversão em uma célula de 0,5 cm2 usando sua tecnologia CIS. Isso representa um aumento de 0,6 ponto percentual em relação ao recorde anterior da indústria de películas finas, de 21,7%.

Absorção
Múltiplas técnicas têm sido empregadas para aumentar a quantidade de luz que entra na célula e reduzir a quantidade que escapa sem absorção. A técnica mais óbvia é minimizar a cobertura de contato superior da superfície da célula, reduzindo a área que impede que a luz chegue à célula.

A luz de longo comprimento de onda absorvida fracamente pode ser acoplada obliquamente em silício e atravessa o filme várias vezes para aumentar a absorção.

Múltiplos métodos foram desenvolvidos para aumentar a absorção, reduzindo o número de fótons incidentes sendo refletidos para longe da superfície da célula. Um revestimento antirreflexo adicional pode causar interferência destrutiva dentro da célula, modulando o índice de refração do revestimento da superfície. A interferência destrutiva elimina a onda reflexiva, fazendo com que toda a luz incidente entre na célula.

Texturização de superfície é outra opção para aumentar a absorção, mas aumenta os custos. Ao aplicar uma textura na superfície do material ativo, a luz refletida pode ser refratada para atingir a superfície novamente, reduzindo a refletância. Por exemplo, a texturização de silício negro por ataque com íon reativo (EIR) é uma abordagem econômica e eficaz para aumentar a absorção de células solares de silício de película fina. Um backreflector texturizado pode impedir que a luz escape pela parte traseira da célula.

Além da texturização da superfície, o esquema de captura de luz plasmônica atraiu muita atenção para auxiliar o realce da fotocorrente em células solares de filme fino. Este método faz uso da oscilação coletiva de elétrons livres excitados em nanopartículas de metais nobres, que são influenciadas pela forma da partícula, tamanho e propriedades dielétricas do meio circundante.

Além de minimizar a perda reflexiva, o próprio material da célula solar pode ser otimizado para ter maior chance de absorver um fóton que o atinge. As técnicas de processamento térmico podem melhorar significativamente a qualidade do cristal das células de silício e, assim, aumentar a eficiência. Camadas de células de filme fino para criar uma célula solar multi-junção também podem ser feitas. A folga da banda de cada camada pode ser projetada para absorver melhor uma faixa diferente de comprimentos de onda, de modo que juntos eles possam absorver um espectro maior de luz.

Avanços adicionais em considerações geométricas podem explorar a dimensionalidade nanomaterial. Matrizes grandes e paralelas de nanofios possibilitam longos comprimentos de absorção ao longo do comprimento do fio, enquanto mantêm comprimentos de difusão de portadores minoritários curtos ao longo da direção radial. A adição de nanopartículas entre os nanofios permite a condução. A geometria natural dessas matrizes forma uma superfície texturizada que retém mais luz.

Produção, custo e mercado
Com os avanços da tecnologia convencional de silício cristalino (c-Si) nos últimos anos e a queda do custo da matéria prima de polissilício, que se seguiu após um período de severa escassez global, a pressão aumentou sobre os fabricantes de tecnologias de filmes finos comerciais, incluindo finos amorfos -filme de silício (a-Si), telureto de cádmio (CdTe) e disseleneto de cobre índio-gálio (CIGS), levando à falência de várias empresas. A partir de 2013, os fabricantes de películas finas continuam a enfrentar a concorrência de preços das refinarias chinesas de silício e dos fabricantes de painéis solares c-Si convencionais. Algumas empresas, juntamente com suas patentes, foram vendidas para empresas chinesas abaixo do custo.

Quota de mercado
Em 2013, as tecnologias de película fina foram responsáveis ​​por cerca de 9% da implantação mundial, enquanto 91% foram detidos por silício cristalino (mono-Si e multi-Si). Com 5% do mercado total, o CdTe detém mais da metade do mercado de filmes finos, deixando 2% para cada CIGS e silício amorfo.:18–19

Tecnologia CIGS
Vários fabricantes proeminentes não suportaram a pressão causada pelos avanços da tecnologia convencional do c-Si nos últimos anos. A empresa Solyndra cessou toda a atividade comercial e entrou com pedido de concordata em 2011, e a Nanosolar, também fabricante CIGS, fechou suas portas em 2013. Embora ambas as empresas tenham produzido células solares CIGS, foi apontado que a falha não foi devida. para a tecnologia, mas sim por causa das próprias empresas, usando uma arquitetura defeituosa, como, por exemplo, os substratos cilíndricos da Solyndra. Em 2014, a LG Electronics coreana encerrou a pesquisa sobre a reestruturação do negócio de energia solar do CIGS, e a Samsung SDI decidiu interromper a produção do CIGS, enquanto o fabricante chinês de PV Hanergy aumentará a capacidade de produção de seus CIGS de 15,5% de eficiência, 650 mm × 1650 mm. módulos. Um dos maiores produtores de energia fotovoltaica da CI (G) S é a empresa japonesa Solar Frontier, com capacidade de produção na escala de gigawatts. (Veja também Lista de empresas CIGS).

Tecnologia CdTe
A empresa First Solar, fabricante líder de CdTe, está construindo várias das maiores usinas solares do mundo, como a Fazenda Solar Solar do Sol e a Fazenda Solar Topaz, ambas no deserto californiano com capacidade de 550 MW cada, bem como a usina solar de Nyngan, de 102 megawatts, na Austrália, a maior usina de geração de energia fotovoltaica no hemisfério sul, encomendada em 2015.
Em 2011, a GE anunciou planos de investir US $ 600 milhões em uma nova fábrica de células solares de CdTe e entrar nesse mercado. Em 2013, a First Solar comprou o portfólio de propriedade intelectual de película fina CdTe da GE e formou uma parceria comercial. Em 2012, a Abound Solar, fabricante de módulos de telureto de cádmio, faliu.

tecnologia a-Si
Em 2012, a ECD solar, antes uma das principais fabricantes mundiais de tecnologia de silício amorfo (a-Si), entrou com pedido de falência em Michigan, nos Estados Unidos. A Swiss OC Oerlikon vendeu sua divisão solar que produziu células tandem a-Si / μc-Si para a Tokyo Electron Limited. Em 2014, a empresa japonesa de eletrônicos e semicondutores anunciou o fechamento de seu programa de desenvolvimento de tecnologia de micromorfos. “Micromorfo” era o nome comercial de uma célula solar em série usando uma camada de silício microcristalina acima da camada amorfa (a-Si / µ-Si).
Outras empresas que deixaram o mercado de filmes finos de silício amorfo incluem a DuPont, BP, Flexcell, Inventux, Pramac, Schuco, Sencera, EPV Solar, NovaSolar (anteriormente OptiSolar) e Suntech Power que pararam de fabricar módulos a-Si em 2010 para focar em convencionais painéis solares de silício. Em 2013, a Suntech entrou com pedido de falência na China. Em agosto de 2013, o preço do mercado spot de a-Si e a-Si / µ-Si caiu para € 0,36 e € 0,46, respectivamente (cerca de US $ 0,50 e US $ 0,60) por watt.