A Evolução das Células Solares: 1ª, 2ª e 3ª Geração – 3S
Presentemente, a utilização da energia solar fotovoltaica está crescendo exponencialmente no nosso País.
Os dados do Balanço Energético Nacional de 2021 [1] indicam uma taxa média de crescimento anual superior ao 60% desde 2019. E segundo a Agência Internacional da Energia [2] é necessário quadriplicar a inversão em eficiência energética e em tecnologias limpas para impedir que o aquecimento global supere os níveis controláveis, o que demanda a continuidade da expansão fotovoltaica.
Este elevado progresso nesta energia, também se deve aos avanços alcançados cientificamente, pois desde a primeira fabricação de uma célula solar eficaz em 1954 [3] até a atualidade se conseguiu um aumento apreciável da eficiência (de 6% ao 25% para uma célula solar de silício) e uma redução significativa do custo do módulo (de 25 €/Wp em 1980 a 0,20 €/Wp na atualidade [4]). Praticamente todas as linhas de pesquisa envolvidas na fabricação de células solares buscam o mesmo objetivo: alta eficiência e/ou baixo custo. Porém, manter estas duas características em um mesmo dispositivo não é tarefa fácil. Até hoje, nenhum material ou tecnologia foi capaz de atingir completamente este objetivo, pois as células de alta eficiência são demasiado caras e as de baixo custo não alcançam rendimentos satisfatórios [5].
No decorrer destas seis últimas décadas, novos conceitos foram aplicados para alcançar estes dois principais objetivos, e se pode dividir estes avanços segundo seus objetivos, o que se denomina primeira, segunda e terceira geração fotovoltaica [6]. Segundo esta descrição, se chama primeira geração as células solares que se fundamentam na alta qualidade, e por tanto a dispositivos livres de defeitos. Através desta tecnologia, se conseguiu eficiências próximas, 25% [7], aos limites teóricos de Shockely e Queisser [8] que é de aproximadamente 30% para uma célula solar convencional de silício. Esta tecnologia de silício é ainda a mais utilizada, pois segundo Philipps [4] o mercado fotovoltaico atual utiliza 92% de células de silício, monocristalina ou multicristalina. Para simplificar processos e reduzir o consumo de material semicondutor surgiu a segunda geração. Esta utiliza basicamente materiais de baixo custo como, por exemplo, silício amorfo ou filmes finos com telúrio de cadmio (CdTe), porém resulta em uma eficiência em torno da metade oferecida pela primeira geração [9]. Com a finalidade de superar ambas gerações, se fundamenta a terceira geração fotovoltaica. As células solares de terceira geração possuem eficiências de conversão elétrica teóricas muito maiores que às atuais e um preço de produção pretendido muito menor [6] [10] [11] [12].
O aumento teórico das eficiências limites de conversão para estas células de terceira geração, se estabelece principalmente por conseguir melhor aproveitamento do espectro solar, e assim de alguma forma diminui as perdas que são produzidas neste dispositivo. De acordo com Green [6], se pode agrupar em três categorias genéricas os conceitos de terceira geração:
Dispositivos com múltiplas bandas proibidas, como exemplo, as células de multijunção [13] e as células de banda intermédia [14];
Células otimizadas para utilizar o excesso de geração térmica, como por exemplo, as células de portadores quentes ("hot carrier cells") [15];
Estruturas capazes de modificar o espectro incidente, como por exemplo, a termofotovoltaica [16] e os conversores fôtonicos ("photon converters") [12] [17] [18] como mostra a Figura 1;
Fig. 1. Principais perdas em uma célula solar (CSB) de silício (a) e utilizando camadas luminescentes de conversores fotônicos a maiores (UC) e menores (DC) energia para diminuí-las (b). * representa a geração de um par elétron-lacuna. ▼ e ▲ representam os fenômenos DC e UC, respectivamente [12].
O projeto base da estrutura de uma célula solar resume-se na escolha do material que será utilizado e, a partir deste, é necessário otimizar as regiões dopadas e metalização [19]. No entanto, com este resumo observa-se que as possibilidades de "estruturas" e de "materiais" são inúmeras, mesmo que saibamos que o mercado seja basicamente de silício, houveram avanços importantes para diferentes materiais. E quando observamos a evolução tecnológica das melhores células solares já desenvolvidas [20] vemos o quanto a evolução já ocorreu para diferentes tecnologias, e o quanto ainda podemos melhorá-las.
[1] Empresa de Pesquisa Energética. Balanço Energético Nacional: 2021: Ano base 2020, 2016. Disponível em < https://ben.epe.gov.br >. Acesso em jun/2021.
[2] International Energy Agency. Net Zero by 2050 A Roadmap for the Global Energy Sector, 2021. Disponível em < https://www.iea.org/reports/net-zero-by-2050 >. Acesso em jun/2021.
[3] D. M. Chapin, C. S. Fuller, G. L. Pearson. Journal of Applied Physics. Vol. 25, nº 5, 1954, pp. 676-678.
[4] Philipps, S. Photovoltaics Report: 2020. Fraunhofer ISE. Disponível em: < https://www.ise.fraunhofer.de/en/publications/studies/photovoltaics-report.html >. Acesso em jun/2021.
[5] Moehlecke, A. Células Solares Eficientes e de Baixo Custo. Brasília: Prêmio Jovem Cientista e Prêmio Jovem Cientista do Futuro, 2002. pp.15-76.
[6] Green, M. Third Generation Photovoltaics: Advanced Solar Energy Conversion. Springer-Verlang Berlin Heidelberg, 2003.
[7] Green, M., Zhao, J.,Wang, A., Wenham, S. R. IEEE Transactions on Electron Devices. Vol. 46, nº 10, 1999, pp. 1940-1947.
[8] Shockley, W., Queisser, H. Journal of Applied Physics. Vol. 32, nº 3, 1961, pp. 510-519.
[9] Little, R. G., Nowlan, M. J. Progress in Photovoltaics: Research and Applications.Vol. 5, nº 5, 1997, pp. 309-315.
[10] Luque, A. Third Generation Photovoltaics and Multiple Band Photovoltaic Conversion. Photovoltaic Oplympic Vision Workshop, Sydney, Australia, 2000.
[11] Martí, A., Luque, A. Next Generation Photovoltaics. Institute of Physics Publisihing Bristol and Philadelphia, 2004.
[12] Pan,A. C., Cañizo, C., Luque, A. Materials Science and Engineering B. Vol. 159-160, 2009, pp. 212-215.
[13] King, R. R. et al. Applied Physics Letters. Vol. 90, 2007. pp. 183516/1-183516/3.
[14] Luque, A., Martí. A.. Physical Review Letters. Vol. 78, nº 26, 1997, pp. 5014-5017.
[15] Ross, R. T., Nozik, A. J. Journal of Applied Physics. Vol. 53, nº 5, 1982, pp. 3813-3815.
[16] Coutts, T. J. Renewable and Sustainable Energy Review. Vol. 3, nº 2-3, 1999, pp. 77-184.
[17] Trupke, T., Green, M., Würfel, P. Journal Applied Physics. Vol. 92, nº 3, 2002, pp. 1668-1674.
[18] Trupke, T., Green, M., Würfel, P. Journal Applied Physics Vol. 92, nº 7, 2002, pp. 4117-4122.
[19] Green, M. A. Solar Cells. Editora Bridge Printery Pty Ltd, Rosebery, 1992.
[20] National Renewable Energy Laboratory. Best Research-Cell Efficiency Chart, 2021. Disponível em: <https://www.nrel.gov/pv/cell-efficiency.html>. Acesso em jun/2021.