Energias renováveis - Energia solar fotovoltaica

Energias Renováveis: Energia Solar Fotovoltaica

02-05-2023 Por : Luís Timóteo 1

Não concordo com o acordo ortográfico

SOLAR Fotovoltaica

Energia



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, ...).



Energia Solar Introdução: Mudanças climáticas

2015 : COP21 - ParisObjectivos: 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 !..



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...



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

GásNatural

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/anoConsumo 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



· 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.



· 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.



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

Luz solar



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).

Energia Solar Métodos de conversão

Energia Solar



A energia solar não polui durante seu uso. A poluição decorrente da

fabricação dos equipamentos necessários para a construção dos

painéis solares é totalmente controlável utilizando as formas de controles existentes actualmente.

Os painéis solares são a cada dia mais potentes ao mesmo tempo que seu custo vem decaindo. Isso torna cada vez mais a energia solar uma solução economicamente viável.

A energia solar é excelente em lugares remotos ou de difícil acesso,

pois sua instalação em pequena escala não obriga a enormes investimentos em linhas de

transmissão. É energia sem ruído.

As centrais necessitam de manutenção mínima.

Vantagens

Energia Solar Vantagens

Energia Solar



Um painel solar consome uma quantidade enorme de energia para

ser fabricado. A energia para a fabricação de um painel solar pode ser maior do que a energia gerada

por ele.

Os preços são muito elevados em relação aos outros meios de

energia.

Existe variação nas quantidades produzidas de acordo com a situação

atmosférica, além de que durante a noite não existe produção alguma, o que

obriga a que existam meios de armazenamento da energia produzida durante o dia em locais onde os painéis solares não estejam ligados à rede de

transmissão de energia.

As formas de armazenamento da energia solar são pouco eficientes quando comparadas, por exemplo, a energia hidroelétrica (água) e a

biomassa (bagaço da cana ou bagaço da laranja).

Desvantagens

Energia Solar Desvantagens

Energia Solar



Energia Solar Fotovoltaica

Neste estudo vamo-nos focar no processo de transformação da energia solar em energia eléctrica pelo método fotovoltaico.



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



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.





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.



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 renováveis2004: 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.




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.


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.



Materiais Sólidos

Cristalino

Cristal simples

Policristalino Amorfos(Non-cristalino

Cristal simples, policristalinos e amorfos, são os três tipos gerais de sólidos.

Física: -SemicondutoresCristalografia elementar

Energia Solar fotovoltaica

http://www.alaskanessences.com/gembig/Pyrite.jpg



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



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

Policristalinoforma de pirite

(Grãos)

Células FotovoltaicasFísica: -Semicondutores

Cristalografia elementar

http://www.alaskanessences.com/gembig/Pyrite.jpg



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.


Cristalografia elementar



Distância interatómica

Orb

itais

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 camadaCd 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-


http://enciclopedia.us.es/index.php/Cadmio

http://enciclopedia.us.es/index.php/Aluminio

http://enciclopedia.us.es/index.php/Galio

http://enciclopedia.us.es/index.php/Boro

http://enciclopedia.us.es/index.php/Indio_(elemento_qu%C3%ADmico)

http://enciclopedia.us.es/index.php/Silicio

http://enciclopedia.us.es/index.php/Germanio

http://enciclopedia.us.es/index.php/F%C3%B3sforo

http://enciclopedia.us.es/index.php/Ars%C3%A9nico

http://enciclopedia.us.es/index.php/Antimonio

http://enciclopedia.us.es/index.php/Selenio

http://enciclopedia.us.es/index.php/Telurio

http://enciclopedia.us.es/index.php/Azufre



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-

Elec

trõe

s

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.


Electrões VS Lacunas (buracos):




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.




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.



Nível de FermiEg

Banda de valência

Banda de condução

IsolanteEg=5-10eV

SemicondutorEg=0,5-2eV

Eg

Banda de valência

Banda de condução

Banda de valência

CondutorNão 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




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:




Ener

gia

do E

lect

rão

EF

Banda de Valência

Banda de Condução

+

-

h

Geração

+

-

h

Recombinação


Semicondutor Intrínseco: Emissão e Absorção de EnergiaVista de Bandas de energia




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).



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 FotovoltaicasFísica: -Semicondutores: - O Silício

http://www.google.pt/url?sa=i&rct=j&q=&esrc=s&source=images&cd=&cad=rja&uact=8&docid=FTB_F30MR65RhM&tbnid=mGj-HW11vO227M:&ved=0CAUQjRw&url=http://portuguese.monocrystalline-solarpanels.com/china-affordable_multicrystalline_silicon_photovoltaic_solar_cells-120925.html&ei=8QLDU9e1Aeiw0AXY2YCoDw&bvm=bv.70810081,d.d2k&psig=AFQjCNHjn_VImAFpWIreLeAsMBvRDymTJw&ust=1405375450718761



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 FotovoltaicasFísica: -Semicondutores: - O Silício



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.


Técnica de Czocharlski : Purificação do Silício

Física: -Semicondutores: - O Silício - Purificação



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 FotovoltaicasFísica: -Semicondutores- A Dopagem



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

Si14

B 5

P15

"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).




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




P

P

PP

P

P

PP

P

P

P

P

P

P

P

PImpurezas 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 livresCarga 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….

220

40

ion h8qmE

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




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+

Transportadoresmaioritário

Nível do dador

Dopagem – N


Vista de Bandas de energia



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




b

B

BB

B

B

BB

B

B

B

B

B

B

B

B

Impurezas grupo III

300oK

-

-

--

-

-

--

-

-

-

-

-

-

--

Lacunas livres Átomos de impurezas ionizadosOs 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




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-

Transportadoresmaioritário

Nível do aceitador+ + + + +

Vista do Cristal

Dopagem – P


Vista de Bandas de energia



Células FotovoltaicasFísica: -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 correnteUma "válvula de retenção" eléctrica

Não há corrente eléctrica

P – parte positiva N – parte negativa



Células FotovoltaicasFísica: -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.



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


Carga ++

+++

++

--

--

- --

Física: -Semicondutores- Criação da Junção P-N



Células FotovoltaicasFísica: -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.



Células FotovoltaicasFísica: -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



++++

-

-

-

++++

++++

++++

++++

++++

++++

++++

++++

++++

++++

++++

-

-

-

-

-

-

-

-

-

-

-

-

-

-

-

-

-

-

-

-

-

-

-

-

p:NA n:ND

Ec

EV

Ei

EFp

EFn

qVbi

Células FotovoltaicasFísica: -Semicondutores- Junção P-N: Equilíbrio Térmico



++++

-

-

-

++++

++++

++++

++++

++++

++++

++++

++++

++++

++++

++++

-

-

-

-

-

-

-

-

-

-

-

-

-

-

-

-

-

-

-

-

-

-

-

-

p:NA n:ND

r

E

V

dp dn

+qND

-qNA

Voltagem Built-in

Células FotovoltaicasFísica: -Semicondutores- Junção P-N: Equilíbrio Térmico



Células FotovoltaicasFísica: -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.



Lado N:Muitos ElectrõesPoucas lacunas

Lado P:Muitas lacunasPoucos 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 FotovoltaicasFísica: -Semicondutores- Junção P-N: Funcionamento em equilíbrio




Lado P:Muitas lacunasPoucos electrões Região de

Deplexão

Banda de Condução

Banda de Valência

· Reduz a barreira de potencial.· Permite grande corrente de difusão.

Células FotovoltaicasFísica: -Semicondutores- Junção P-N: Funcionamento c/polarização directa




Lado P:Muitas lacunasPoucos electrões

Região de Deplexão

Banda de Condução

Banda de Valência

· Aumenta a barreira de potencial.· Muito pouca corrente de difusão.

Células FotovoltaicasFísica: -Semicondutores- Junção P-N: Funcionamento c/polarização inversa



Voltagem

Corrente

Polarização DirectaPolarização

Inversa

Crescimento exponencial

10

kTqV

eII

Células FotovoltaicasFísica: -Semicondutores- Junção P-N: Funcionamento –características I/V




Lado P:Muitas lacunasPoucos electrões


Banda de ConduçãoBanda de Valência

· EHP são gerados ao longo do dispositivo quebrando o equilíbrio causando fluxo de corrente .

Células FotovoltaicasFísica: -Semicondutores- Junção P-N: Funcionamento

· Comportamento do diodo em “Não equilíbrio” – geração EHP



Voltagem

Corrente

Escuro

2 vezes mais luz = dobro da Corrente

Corrente da Absorção de fotões de luz

LkTqV

IeII

10

Células FotovoltaicasFísica: -Célula Fotovoltaica- Característica I-V



Base tipo -P

Emissor tipo -N


Campo- E

Região-P neutra

Região –N neutra

Onda Longa

DifusãoDeriva

Le

Onda Média

OndaCurta

Difusão Deriva

Lh

Região Active = Lh + W + Le

heL LWLqAGI

Células FotovoltaicasFísica: -Célula Fotovoltaica- Região Activa



Células FotovoltaicasFísica: -Célula Fotovoltaica



·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.


Separação de portadores de cargas na Junção P / N

Física: -Célula Fotovoltaica- Região Activa



Proporcional a:Área da célula (A)

Células maioresTaxa de geração de pares “Electrão-Lacuna” (G)

Intensidade da luzÁrea Activa (Le + W + Lh)

Maior comprimento de difusão (materiais muito puros)

heL LWLqAGI


Intensidade da corrente

Física: -Célula Fotovoltaica- Região Activa



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 FotovoltaicasFísica: -Célula Fotovoltaica- Circuito equivalente

nas extremidades de células solares.

contacto.

P

Sph

SS

RIRVI

kTnIRVeI

kTnIRVeII )()1)((exp)1)((exp

202

101

I

Voc

·VOC: Voltagem da célula solar em circuito aberto.



RP

RSiD

VD

Fonte de Corrente

iph


I

Voc

I0 Corrente de saturação.n Factor ideal.k Constante de Boltzmann.Isc Corrente em curto circuito.Voc Voltagem em circuito aberto.

phnkTeU

IeII )1(0 Isc = -Iph para V = 0

0

1lnIII

Te

nkV ph

para I = 0

0

lnII

enkTV sc

oc



FF

Células FotovoltaicasFísica: -Célula Fotovoltaica- Características

I-CorrenteP-potência

V-VoltagemPotência gerada Se

m ilu

min

ação

Com

ilum

inaç

ão

VOCTensão em circuito aberto

Ponto de Potência máxima

VmpCorrente de curto circuito

IscImp

iD

RP

RS

VVOC

Símbolo

Parâmetros ImportantesISC: 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

VIVIFF

Fill factor

Performance da célula solar

https://static.newworldencyclopedia.org/b/b6/Photovoltaic_cell.svg




[V]

Circuito Equivalente Simplificado Características


ID

RP

RS

EscuroIluminada

PMP VOC

ISCOnde:1.)VOC – Voltagem em circuito aberto2.) ISC – (Foto) corrente em curtocircuito3.) 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

PVIFF . .

OCSC

PMP

VIPFF

.

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

VIVIFF 100

PFFVI

Solar

ocsc

)]cmmWdiância(nm)][irraOnda[Comp)cmAtefotocorrendeadenm][DensideV[1240

teses incidenNº de fotõrnocuito extevés do cirtrões atraNº de elecIPCE

2

2

( .] (





• 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 FotovoltaicasFísica: -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

II

qAkTV

O

LOC ln



h

Células FotovoltaicasFísica: -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.



Radiação Solar

Aprox.0.58V DC

iFluxo de Electrões

Símbolo do célula fotovoltaica (PV)

Células FotovoltaicasFísica: -Célula Fotovoltaica- Estrutura e Funcionamento

Fitas metálicas condutoras

Lente de vidro

Electrões -veSubstrato base

Lacunas +ve

Silício tipo-NCamada 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.



+-

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 FotovoltaicasFísica: -Célula Fotovoltaica- Funcionamento



Silício matéria-prima Lingote Crescido Fatiamento

Fabrico de célulasEncapsulamento de MódulosSistema fotovoltaico

Células FotovoltaicasO Silício -Fabrico de Células fotovoltaicas



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 célulax 100%

Dye-sensitized Type

Organic Thin Layer Type

7 - 8%

2 - 3%

Silicon Semiconductor

SemicondutorComposto

SemicondutorOrgânico

Células FotovoltaicasTipos de Células solares

Célula Solar



Células FotovoltaicasFactos 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.



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- PContacto



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 ...




· 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.



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.





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.





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 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.




Revestimento antireflexo

~0,2µm

~300µm

Contacto posterior (+)

- - - - - - - - - -+ + + + + + + + + +

Região - N

Região - P

Zona de Deplexão

-h

+

Contacto Frontal (-)

Composição das Células de Silício




fotões

Tipo-N

Tipo-P

CargaElectrãoLacuna

Funcionamento das Células de Silício




Tipo-N

Tipo-P

Tipo-N

Tipo-P

Lacunas

Electrões

Luz Solar

Fotões

Corrente eléctrica

Junção PN

Funcionamento das Células de Silício




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…




·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.




Flexible Thin-Film Photovoltaic



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 -ContactoZnO

CdSCu(In,Ga,)Se2

Mo - Contacto

Vidro/película




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…


Amorphous SiCdTeCIGS (CuInGaSe2)



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%.




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.




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)




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.



http://www.google.pt/url?sa=i&rct=j&q=&esrc=s&source=images&cd=&cad=rja&uact=8&docid=mvpoz8RJsWqGFM&tbnid=QgCT7WoRkRIr7M:&ved=0CAUQjRw&url=http://spanish.alibaba.com/product-free/thin-film-amorphous-silicon-photovoltaic-solar-module-112745040.html&ei=m762U8VfxfzRBZnrgagI&bvm=bv.70138588,d.d2k&psig=AFQjCNHeqOgYswU3S2ySpI7qjKtV_6yUCw&ust=1404571671099146



(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.






Junção SimplesAmorfo (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:

PIN

Junção DuplaMicroamorfoa-Si:H/c-Si:H)

11.7% (a-Si/ pc-Si) Kaneka12.4% (a-Si/a-SiGe) USSC

9,5% (a-Si) Un. Neuchatel10.1% (-Si) Kaneka

Junção Triplae.g. a-Si:H/a-SiGe:H/ c-Si:H

13.0% (Si/SiGe/SiGe) USSC*




VantagensAbsorve a luz de baixa e alta intensidade.É necessário menos Semiconductor menor Custo.As altas temperaturas não reduzem significativamente o desempenho.

DesvantagensMenor 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.





• 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.




Glass Superstrate

Transparent Conducting Oxide N-type CdS

P-type CdTe

MetalBack 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 CellsLuz Incidente




ZnO, ITO2500 Å

CdS700 Å

Mo0.5-1 µm

Glass,Metal Foil,

Plastics

GlassCTO/ZTO,SnO2

0.2-0.5 µm

CdS 600-2000 Å

CdTe2-8 µmCIGS

1-2.5 µm

C-Pastewith Cu,or Metals

ZnTe:Cu

CTO/ZTO = Cd2SnO4/ZnSnOx

CIGS CdTe

2ª Geração- Thin Film Cells : Estruturas das Células CIGS e CdTe

Ti




2ª Geração- Thin Film Cells : Diagrama de Bandas das células CdTe/CdS




2ª Geração- Thin Film Cells : Células CdTe/CdSCadmium 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.




2ª Geração- Thin Film Cells : Células CdTe/CdSCadmium 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.


http://www.firstsolar.com/en/photo_library.php



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


amorphous SiCdTeCIGS (CuInGaSe2)



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.


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.




0

500

1000

1500

2000

0 .4 0 .6 0 .8 1 1 .2 1 .4

CuGaSe ; a-Si2

CuInS 2

CuInSe ; c-Si2

Solar spectrum AM 1.5

Pow

er d

ensi

ty [W

/m]2

[ m ]

SLG or SS substrateMo back contact

p-type CIGS absorbern-type CdS buffer

0.5 – 1.5m

1.5 – 2.5m0.03 – 0.08m

0.5 – 1.5m

1.8m

n-type ZnO/ITO window

Ag top contact grid


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





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




2ª Geração- Thin Film Cells : Estrutura do dispositivo CIGS…. Evolução




2ª Geração- Thin Film Cells : Estrutura do dispositivo CIGS…. Tecnologia

Sputtering

Chemical Bath deposition·Vacuum methodCo-evaporationSputteiing + selenization

·Non-Vacuum methodElectro-deposition + selenizationPrinting+ selenization

Sputtering

1-2 m

50nmCdS or ZnSe





ZnO CdS CIGS MoSe2 MoEC

EV

Diagrama de Bandas

EF3.4eV

2.4eV

1.2eV

QNR – quasi-neutral regionSCR – space charge region

QNR SCR




ZnO, ITO2500 Å

CdS700 Å

Mo0.5-1 µm

Vidro,Folha metálica, Plástico

CIGS1-2.5 µm

2ª Geração- Thin Film Cells : Estrutura do dispositivo CIGSEm 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)




2ª Geração- Thin Film Cells :Flexible CIGS solar cells-Estrutura do dispositivo CIGS

Fabricação Rol-to-Rol?


http://www.google.pt/url?sa=i&rct=j&q=&esrc=s&source=images&cd=&cad=rja&uact=8&docid=ncHnG6HHqmVweM&tbnid=2mI_I_TWaVJ5xM:&ved=0CAUQjRw&url=http://solarlove.org/thin-film-solar-cell-degradation-prevented-with-new-method/&ei=38vfU5SMFqXH0QX_p4HoAg&bvm=bv.72197243,d.d2k&psig=AFQjCNFbKnnpGvpJ_Iwr4gZsp1JA_QNjLg&ust=1407261159001472



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




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)

Sulfureto de Cádmio (N)

Disseleneto de cobre, índio e gálio (P)

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




2ª Geração- Thin Film Cells : CIGS – Substratos flexíveisEm folha de poliamida, eficiência 20.4% EMPA (Suíça)





Roll of CIGS Foil in Nanosolar


Bottom Electrode Nanoparticles layer Semiconductor Top Electrode

RTP

·RTP - Rapid Termal Processing





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 eléctrodoThin Film Solar Cell

Top Electrode

Semiconductor

Bottom Electrode

Nanosolar

30m/minuto





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 CIGSOs 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.




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.




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.




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.




2ª Geração- Thin Film Cells : CIGS impressos VS CIGS de alto vácuoOs 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.




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: Vários tipos de células fotovoltaicas…

2ª Geração- Thin Film Cells




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)




2ª Geração- Thin Film Cells : Células Cdte, Si amorfous, CIGS, GaAs…

SnO2CdS

CdTe

ZnTe:Cu

Ti

Pros:·Espessura da película: 100 nm a 10m.·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.



Média dos custos de fabrico 2006: $1.40/watt2007: $1.23/watt2008: $1.08/watt2009: $0.87/watt2010: $0.77/watt2011: $0.74/watt2012: $0.64/watt2013: $0.53/watt


2ª Geração- Thin Film Cells : Células CdTe/CdSSituação Industrial:



Future Generation: – Printable Cells

Organic CellNanostructured Cell

Solution Processible Semiconductor

3ª Geração- Multi-junction Cells:




• 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


– Multi-junction Cells



Células Orgânicas, de Corantes, de Multi-junções (Tadem cells)…


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



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.


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.




LOW CONCENTRATOR PHOTOVOLTAICS (LCPV)

3ª Geração- Thin Film Cells : Células de Multijunções: Tandem cells




· 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)



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.


(a) (b) IMM (“Inverted Metamorphic Solar Cell”)

3ª Geração- Thin Film Cells : Células de Multijunções (GaInP )



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.


GeGaAsGaInP2




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.


4 5 6 7 8 9 1 2 3 4

Energia (eV)

GaInP1,8 eV

GaAs1,4eV

Ge0,7eV

Célula Solar MJ Convencional

GaInP1,8 eV

GaAs1,4eV

GaInNAs0,7eV

Nova Célula Solar MJ

Gallium arsenide solar cell

Indium gallium solar cell





Pesquisadores alemães, do Instituto Fraunhofer para Sistemas de Energia Solar, desenvolveu uma célula solar que converte 44,7 % da energia solara o que é um novo recorde. É constituída por uma lente que concentra a luz solar em quatro subcélulas empilhadas, cada uma concebida para absorver uma porção distinta do espectro.

A equipa estima que vai levar mais dois ou três anos para ampliar o protótipo de 5,2 milímetros para uso em instalações de energia solar concentrada.

·A tecnologia fotovoltaica concentrada




· Este sistema consiste de milhares de pequenas lentes, cada uma focando a luz solar com a intensidade de ~500 X mais alta, numa pequena célula fotovoltaica de alta eficiência de multijunções…


Em comparação com sistemas fotovoltaicos não-concentrados, as CPV podem economizar dinheiro no custo das células solares, uma vez que é necessário uma menor área de material fotovoltaico, que sendo menor, pode utilizar CPVs, material mais caro, mas de muito alta eficiência.

A tecnologia fotovoltaica concentrada (CPV - Concentrated photovoltaic) usa óptica: como lentes ou espelhos curvos para concentrar uma grande quantidade de luz solar numa pequena área de células solares fotovoltaicos (PV) para gerar electricidade.

WORLD’S FIRST CPV INSTALLATIONS, PUERTALLANO, SPAIN




· A luz solar passa através de uma lente multifacetada conhecido como um Fresnel. A lente foca a luz solar directa, fornecendo o equivalente a 297 sóis de energia para a célula solar abaixo.

· A primeira subcélula, feita a partir de fosfeto de índio gálio, captura fotões de comprimentos de onda mais curtos da luz. As subcélulas abaixo dela, contêm elementos capazes de captar comprimentos de onda progressivamente mais longos.·Cada subcélula consiste de várias camadas de semicondutores, que criam um campo eléctrico. Quando os fotões são absorvidos, eles excitam os electrões, libertando-os da subcélula.

·Uma vez que os electrões livres, chegam ao topo, um contacto de metal encaminha-os em direcção a um terminal de saída como uma corrente contínua.

Popular Science issue April 2014.


·A tecnologia fotovoltaica concentrada




LENS CONCENTRATORSPARABOLIC DISH


3ª Geração- Thin Film Cells : Tecnologias de concentração…(CPV)LOW CONCENTRATOR PHOTOVOLTAICS (LCPV)

CENTRAL RECEIVER

FRESNEL REFLECTOR



Célula de 4 junções com eficiência de 44.7 % fabricada a partir de compostos semicondutores III-V, para uso em concentradores fotovoltaicos… 297 Sois….(Concentrados) sendo até ao momento a maior eficiência alcançada….

Células Fotovoltaicas: Vários tipos de células fotovoltaicas…3ª Geração- Thin Film Cells : Células de Multijunções (GaInP )



Cadmium Telluride (CdTe)

Flexibility Amorphous Silicon

CIGS (Copper Indium Gallium diSelenide)

GaAs Solar Cells Células fotovoltaicas orgânicas

Células de Tripla junção (InGaP/GaAs/Ge






GaAs: Eficiências acima dos 40%, mas muito caro, principalmente adequado para aplicações espaciais, uma vez que As é tóxico.

CdTe: Cd é tóxico, cobrir grandes áreas de superfície com material tóxico não é desejável.

CIGS: A disponibilidade de In é de 0,08 ppm, o custo pode aumentar com o aumento da procura…

a-Si: De baixo custo, mas de baixa eficiência estável.

C-Si: Matéria prima abundante (227000 ppm) de alta eficiência, a eficiência estável, a tecnologia de películas finas (Thin films) fornece potencial para reduzir o custo das células, opção muito atraente para explorar.


Tecnologias




Tecnologias · Silício MonocristalinoEstas foram as primeiras células 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 12 a 16% . Contudo, apresentam dois inconvenientes:

·Preço elevado.·Elevado período de retorno do investimento.

· Silício MulticristalinoSão fabricadas a partir de um bloco de silício cristalizado em múltiplos cristais e, portanto, com diversas orientações. O seu rendimento é da ordem de 11 a 13% e possuem um custo de produção menos elevado do que as monocristalinas.

· Silício AmorfoEstas células são compostas por um suporte de vidro ou de uma outra matéria sintética, na qual é deposta uma fina camada de silício (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. A sua gama de aplicações são os pequenos produtos de consumo como relógios, calculadoras, mas podem também ser utilizadas em instalações solares. Apresentam como vantagem o facto de reagirem melhor à luz difusa e à luz fluorescente e, portanto, apresentarem melhores desempenhos a temperaturas elevadas…



·As células de CdTe têm por base o telúrio de cádmio, material interessante por apresentar uma elevada absorção. No entanto, o seu desenvolvimento fica comprometido atendendo à toxicidade do cádmio.·As células de CIS (CuInSe2) têm por base o cobre, o índio e o selénio. Este material apresenta a particularidade de ser estável quando sujeito a incidência luminosa. Apresentam excelentes propriedades de absorção. ·As células de CIGS são constituídas pelos mesmos elementos das CIS mas com a particularidade de o índio formar uma liga com o gálio o que permite obter melhores desempenhos.

Energia Solar: Vários tipos de células fotovoltaicas…

As tecnologias CdTe, CIS e CIGS estão em fase de desenvolvimento e industrialização. Com efeito:

Tecnologias




Tecnologias

1ª Geração· Pastilha de Silício Espessura: 250m. Área limitada pelo tamanho da

pastilha. Construção rígida. Integração modular complexa. CARA.

2ª Geração· Película sobre vidro Espessura: 3m. Grande área de exposição. Construção rígida. Integração modular monolítica. Potencialmente barata.

3ª Geração· Película sobre plástico Espessura: 3m. Possibilidade de grandes áreas. Construção flexível. Fácil integração modular . Potencialmente barata.




Tecnologias de película fina

Material Area(cm2)

VOC

(V)JSC

(mA/cm2)FF(%)

Efficiency(%) Comments

CIGSe 0.410 0.697 35.1 79.52 19.5CIGSe/CdS/Cell

NREL, 3-stage process

CIGSe 0.402 0.67 35.1 78.78 18.5CIGSe/ZnS (O,OH)NREL, Nakada et al

CIGS 0.409 0.83 20.9 69.13 12.0Cu(In,Ga)S2/CdS

Dhere, FSEC

CIAS - 0.621 36.0 75.50 16.9Cu(In,Al)Se2/CdSIEC, Eg = 1.15eV

CdTe 1.03 0.845 25.9 75.51 16.5CTO/ZTO/CdS/CdTe

NREL, CSS

CdTe - 0.840 24.4 65.00 13.3SnO2/Ga2O3/CdS/CdTe

IEC, VTD

CdTe 0.16 0.814 23.56 73.25 14.0ZnO/CdS/CdTe/Metal

U. of Toledo, sputtered



Terrestrial

applications

Space

application

GaAs

η~24 %

c-Si

η~12 % η~18 %

· GaAs (Gallium Arsenide)· CIGS (Copper Indium Gallium Diselenide)· CdTe (Cadmium Telluride)· a-Si:H (Hydrogenated amorphous silicon)


Tecnologias: Aplicações

Bulk c-Si Thin Films

Mono c-Si

η ~ 15-17%

Multi c-Si

η ~ 13-15%

CdTe

ηlab ~ 16%ηind ~ 9%

CIGS


Poly c-Si


TF Sia-Si:H


Organic

ηlab ~ 11%



· 2014 Solar PV Module Production by Technology


Tecnologias de película fina




Summary Comparison of PV Technologies

PV technologyEfficiencyModule(Avg %)

Key MaterialsSupply issues Materials

(Utilization)Substrate Types

Crystalline Silicon13%- 14%

(22%)

PolysiliconCurrentlyAbundant

Poor(Subtractve) Rigid OnIy

Amorphous Silicon 6%-7%(13%)

Silane GasAvailabiIity/Cost

Poor(Subtractve) Rigid & Flexible

Cadmium Telluride 9% - 11%(16,5%)

TelluriumAvailability

Medium(Subtractive) Rigid OnIy

CIGS by VacuumProcess

10% - 12%(20%)

Poor Usage ofIndium

Poor(Subtractve) Rigid & Flexible

ISETs Printed CIGS 10%-12%(16%)

Low Requirement,Efficient Usage of

lndium

High(Additive) Rigid & Flexible

Solar cell Highest reported efficiency (%) ·Silicon (single crystal, single cell) 27.6 ±1.0·CIGS (thin film, single cell) 20.3 ±0.6·CdTe (thin film, single cell) 16.7 ±0.5

·Dye-sensitized (single cell) 11.2 ±0.3·Organic polymer (single cell) 8.3 ±0.3·InGaP/GaAs/InGaAs (tandem cell) 42.3 ±2.5



Cell Technology 2006(Cost/Price US$)

2010(Cost/Price US$)

2015(Cost/Price US$)

Crystalline SiliconMonocrystalline Silicon 2.50 / 3.75 2.00 / 2.50 1.40/2.20Multicrystalline Silicon Cast Ingot 2.40 / 3.55 1.75 / 2.20 1.20/2.00

Crystalline Based SiliconRibbon sheet Silicon 2.20 / 3.35 1.60 / 2.20 1.00/1.70Concentrators Silicon Cell 3.00 / 5.00 1.50 / 2.50 1.00/1.70

Non-Crystalline SiliconAmorphous Silicon (a-Si) 1.50 / 2.50 1.25 / 1.75 0.90/1.40

Non-SiliconCopper Indium (G) Deselenide (CIS/CIGS) 1.50 / 2.50 1.00 / 1.75 0.80/1.33

Cadmium Telluride (CdTe) 1.50 / 2.50 0.80 / 1.50 0.65/1.25

Factory profitable price 2.50 / 3.75 1.50 / 2.50 1.25/2.20


Summary Comparison of PV Technologies prices



Ao longo dos últimos 40 anos, a tecnologia de células solares inorgânicas com base em silício e películas finas de seus derivados, tem sido posicionada como uma alternativa para a energia do petróleo, uma vez que utilizam uma fonte de energia livre e virtualmente inesgotável, ter eficiências altas de conversão de energia radiante e a sua produção é feita a uma escala industrial, sem mas os seus altos custos de produção, os efeitos negativos de alguns componentes no ambiente, e a escassez de matérias-prima na terra, são apresentadas como graves restrições ao aumento da sua aplicação a nível mundial.

Células Fotovoltaicas: Novas tecnologias em desenvolvimento

3ª Geração- Células Orgânicas: (OPV –Organic Photovoltaic)

As células solares à base de polímeros semicondutores apresentam-se como uma alternativa, uma vez que as matérias-primas e os processos de fabrico são menos dispendiosos. No entanto, é importante notar que a nível local, os materiais ainda têm altos custos (para transporte e impostos de importação), aumentando muito o preço da fabricação do dispositivo.

Recentemente, têm vindo a desenvolver-se outras células baseadas em películas finas de semicondutores com multijunções; essa evolução surgiu a fim de evitar o uso de grandes quantidades de materiais tóxicos…

As células orgânicas à base de polímeros, que alcançaram eficiências até de 8,3%; mas o rendimento teórico foi encontrado para ser semelhantes aos semicondutores tradicionais, o que sugere que a relação futura eficiência/custo seja maior do que para outros tipos de células…

Na última década, desenvolveram células solares com base em novos materiais fotovoltaicos, entre as quais as células sensibilizadas corantes DSSC também conhecidas por células electroquímicas…




3ª Geração- Células Orgânicas: (OPV –Organic Photovoltaic) Semiconductores OrgânicosOs semicondutores orgânicos têm suscitado grande interesse em todo o mundo, pois eles

mantêm a promessa de ultra baixo custo e alto desempenho, juntamente com uma série de novas propriedades que desbloqueiam novas e excitantes oportunidades de produtos em electrónica, iluminação e energia fotovoltaica.

As células Fotovoltaicas orgânicas oferecem uma série de vantagens que vão desde a fabricação de rápida, e de baixo custo, extremamente finas, leves, e factores forma flexíveis, que oferecem oportunidades para avanços revolucionários na aceitação e implantação de energia solar. Não há nenhuma restrição quanto ao tamanho e forma dos dispositivos OPV, e todos os seus aspectos e formas concebíveis podem ser previstos, tendo apenas a capacidade sintética humana como factor limitativo.

Os dispositivos podem ser na forma de fibras, telas, dobrada ou enrolada, como películas sobre a superfície curva. A natureza quase bidimensional da OPV, vai apresentar uma mudança substancial de paradigma e vai demorar algum tempo antes de ser aceite pelo mercado global.



3ª Geração- Células Orgânicas: (OPV –Organic Photovoltaic) Semiconductores Orgânicos

Os materiais orgânicos têm ligações covalentes intramolecular semelhantes, mas são mantidos juntos apenas por fracas interacções intramoleculares de van der Waals. A função de onda electrónica, está assim, fortemente localizada em moléculas individuais, e as fracas interacções intermoleculares instigam a uma largura de banda electrónica estreita formada em sólidos moleculares.

Porque semicondutores orgânicos têm diferentes sistemas de ligação em relação aos semicondutores convencionais inorgânicos, pois operam de uma forma fundamentalmente diferente. Os semicondutores convencionais são mantidos juntos por ligações covalentes fortes que se estendem de forma tridimensional, resultando em bandas electrónicas que deram origem às suas propriedades semicondutoras.

Os Semicondutores orgânicos são compostos ricos em carbono com uma estrutura adaptada para optimizar uma função especial, tal como a capacidade de resposta a uma gama de luz visível especial.




http://cnx.org/content/m41217/latest/#id1170058534148


3ª Geração- Células Orgânicas: (OPV –Organic Photovoltaic) Estas células podem ter uma estrutura de camada dupla ou uma estrutura “Bulk” de heterojunções,

mas o mecanismo de ambas as estruturas, é o mesmo. A camada activa das células solares orgânicas é composta por um material doador e um receptor, para

separação e transporte das cargas eléctricas. A camada activa pode ser feita de alguns materiais diferentes: pequenas moléculas orgânicas,

polímeros conjugados, ou combinações de moléculas e polímeros.A célula é constituída por um eléctrodo de alumínio e de vidro condutor (ITO), com a camada activa

entre os dois materiais, com “buffers” para melhorar o transporte de cargas.Os fotões são geralmente absorvidos pelo material dador para produzir excitões singletos. Estes

excitões migram em direcção ao material aceitador, separando-se em electrões e lacunas na interface. Os electrões e lacunas difundem-se através dos materiais aceitadores e doadores, respectivamente, até atingirem os eléctrodos.

Os materiais típicos para estas células são: ftalocianinas, fulereno (C60), oligotiofenos ou polímeros. Independentemente do desenho da célula solar orgânica, a eficiência não começa a ser competitiva com qualquer uma das outras opções de concepção das células solares. A maior eficiência relatado para células de síntese é de 12% (Heliatek Jan2013). São muito baratas de produzir, o que é uma vantagem, mas os ganhos de eficiência ainda são relativamente baixos para fazer células solares competitivas num mercado comercial, pelo que a investigações continua na busca desse objectivo.



Alguns polímeros comportam-se de maneira que se forme uma estrutura de “bandas”, similar á observada nos semicondutores inorgânicos do estado sólido, que geram uma banda proibida (Eg) entre a “banda de valência” chamada HOMO (High Occupied Molecular Orbital) e a “banda de condução” chamada de LUMO (Low Unoccupied Molecular Orbital), o que permite que se comportem como os semiconductores clássicos.

Este tipo de células têm uma camada activa de película fina (aproximadamente de 100 nm.), que consiste numa mistura homogénea de um dador (semicondutor polímero altamente conjugado) e um aceitador de electrões (usualmente um derivado de fulereno) e em qualquer ponto da película há uma mistura de doadores / aceitador, resolvendo o inconveniente das células com heterojunções como redes interpenetrantes aumentam as interfaces entre os dois materiais, diminuindo a distância entre eles, favorecendo o processo de dissociação e excitação diminuindo processos de recombinação, aumentando assim a eficiência de células solares orgânicos.

Uma célula solar orgânica é constituída por uma série muito fina de vapores ou soluções orgânicas, depositadas em camadas prensadas entre dois eléctrodos. O mecanismo básico da geração foto corrente nas células OPV, pode ser ilustrado com dois materiais orgânicos, um Dador (D) de electrões e o outro um Aceitador (A).





3ª Geração- Células Orgânicas: (OPV –Organic Photovoltaic) Semiconductores Orgânicos: Sistema Roll-to- Roll


O método ideal de fabricação seria depositar eléctrodos estampados e semicondutores em rolos de plástico ou metal, em máquinas de rolo-a-rolo com revestimento, semelhante aos utilizados para fazer o filme fotográfico ou jornais. As Células solares feitas desta forma seriam não só mais baratas, mas poderiam, portanto, ser incorporadas em materiais de construção directamente, reduzindo assim os custos de instalação. Semicondutores orgânicos podem ser dissolvidos em solventes comuns e pulverizados ou impressos no substrato, são candidatos promissores para esta aplicação.



Os polímeros semicondutores com propriedades fotovoltaicas de tipo doador de electrões, devem ter as seguintes propriedades:

· Alta condutividade (maior que 1,000 S cm−1).· Altas mobilidades das lacunas geradas (0.05 – 0.1 cm2, V−1,S−1).· Não apresentar processos radiactivos.· Uma diferença energética entre HOMO e LUMO, banda proibida (Eg) óptima que permita a maior

absorção de radiação possível. (<2eV).· Um coeficiente de absorção alto (>105cm−1).· Alta solubilidade em solventes voláteis, para facilitar a formação de película, por meio de técnicas

diferentes, para qualquer tipo de impressão “spin coating “ “Roll to Roll “ ou “Doctor Blade”, etc…

O polímero mais utilizado em células solares orgânicos é o P3HT (dador de electrões e transportador de buracos) graças à sua estrutura em conformidade com as propriedades acima referidas, no entanto, as investigações têm como objectivo a obtenção de materiais em que os aumentos de solubilidade, e a melhoria da absorção de luz, e a facilidade do uso de técnicas de fabrico (spin coating, R-T-R, etc).


3ª Geração- Células Orgânicas: (OPV –Organic Photovoltaic)- Materiais usados



Actualmente o PCBM, um derivado de fulereno tem uma alta condutividade eléctrica e os níveis de HOMO e LUMO de energia em conformidade com a P3HT; além disso, este derivado é mais solúvel do que o fulereno, o que permite obter uma maior uniformidade na mistura, que é também uma propriedades de transporte eléctrico, e que é adequadamente misturado com o material aceitador.

Aceitadores de Electrões. A Camada activa tem uma mistura de material dador de electrões (P3HT) com um material que aceita esses electrões, a fim de abrir caminho para a geração de corrente. Como vimos anteriormente o P3HT serve para absorver a quantidade máxima de radiação do sol, nesta fase os electrões estão excitados; no entanto, a conversão de radiação solar em energia eléctrica necessita de um passo adicional, a transferência de electrões, para a qual é necessário fazer uso de um material aceitador de electrões que evita perdas em processos radiactivos, nomeadamente para evitar a recombinação do excitão.


3ª Geração- Células Orgânicas: (OPV –Organic Photovoltaic)- Materiais usados

Poly(3-hexylthiophene) [6,6]-phenylC61-butyric acid methyl ester



Heterojunção Planar

Heterojunção “Bulk”Heterojunção “Bulk” Invertida



Dador (Polímero) Aceitador (PCBM)

·A distância entre P3HT e PCBM é crucial para alcançar a corrente.·É usado um compósito de P3HT e PCBM para criar uma heterojunção “Bulk”.·Os dois componentes segregantes de fase, permitem vias de transporte entre os eléctrodos



Células Heterojunção Bulk de Polímero-Fulereno

PEDOT

Ca/Al

~200

nm

esp

essu

ra

Óxido Condutor Transparente (ITO?)

• Polímero dador (P3HT) absorve luz, gerando um “excitão” (um par electrão/lacuna). • O “Excitão” tem que se difundir para o interface Dador/Aceitador (PCBM), para se separar. • Os Electrões vão para o eléctrodo traseiro. • As lacunas vão para o eléctrodo frontal.Os fulerenos são uma forma alotrópica do

Carbono, a terceira mais estável após o diamante e o grafite.



PEDOT (poli(3,4-etilenodioxitiofeno)) é o um polímero condutor de poli(estireno sulfonato) .

PEDOT:PSS



PCBM

P3HTAlumínio (Cátodo)

Absorber

Ânodo - Polímero

ITOSubstrato

Dador

record = 4,8% FMF, ISE = 3,7%

Aceitador

Célula Solar Orgânica: Heterojunção “Bulk”





4,7 eV5 eV

Polímero HOMO

PCBM LUMO

Polímero LUMO

PCBM HOMOPolímero/PCBM

AceitadorDador

Ânodo Cátodo

PolímeroPCBMLacunaElectrãoExcitão

Migração de cargasDissociação do Excitão

Radiação incidenteDifusão do Excitão

Ânodo

Cátodo

Célula Solar Orgânica: Heterojunção “Bulk”- Funcionamento





PET

Material

Semicondutor

Eléctrodo de Alumínio

125 m

Carga Negativa

Carga Positiva

Incidência da luzA luz solar atravessa o substrato transparente usado para a construção da célula – por exemplo, um plástico PET (polímero).

Separação de CargasAs cargas positivas são recolhidas no eléctrodo transparente, feito de óxido de índio e estanho (ITO).

Eléctrodo Transparente

Corrente EléctricaAs cargas negativas são encaminhadas para o eléctrodo metálico, de alumínio. A circulação de cargas é o que gera a corrente eléctrica na célula.

Transferência de CargasOs fotões são absorvidos pelo material semicondutor.Ao interagir com ele, ocorre a geração de um par electrão/lacuna, libertando uma carga negativa e outrapositiva no material.







Contacto EléctricoCamada de Contacto

Compósito de Materiais orgânicos

Camada de Contacto

Material Flexível de Suporte

Alumínio

ITO Película de Plástico

PEDOT-PSS

Dador

Aceitador

Fulereno C60Nanopartículas semicondutoras

Polímero conjugado TT

Célula Solar Orgânica: Heterojunção “Bulk”- Composição



+

-


3ª Geração- Células Orgânicas: (OPV –Organic Photovoltaic) Célula Solar Orgânica: Heterojunção “Bulk”- Funcionamento



ITO

2.5 mm.7 mm

.4 mm

.2 mm


3ª Geração- Células Orgânicas: (OPV –Organic Photovoltaic) Célula Solar Orgânica: Heterojunção “Bulk”- Processamento



PEDOT ~100nmContacto de Al ~600 Å





Camada Activa





LiF ~ 20 Å

Contactos de Al





= fulereno receptor de electrões.

Fotão

Eléctrodo superior Reflector

Camada activa orgânica - dador-aceitador

Substrato transparente Vidro/Plástico

Óxido condutor transparente

= Polímero dador de electrões






3ª Geração- Células Orgânicas: (OPV –Organic Photovoltaic) Célula Solar Orgânica: Heterojunção “Bulk”- Produto Final



Constituição de uma Célula Real



Barrier

adhesive

Carbon

Ag HC PEDOT:PSS

PFN

ZnO

HTL PEDOT:PSS

MH306 : PCBM

HTC PEDOT:PSS

Substrate/Barrier

Ag HC PEDOT:PSS

ZnO

MH301 : PCBMPFN

Uma célula solar fotovoltaica orgânica (OPV), é uma célula de película fina à base de polímero. As células solares OPV, tem sido o foco de muita pesquisa, pois são leves, flexíveis, de baixo custo, altamente sintonizáveis e potencialmente descartáveis.

São Também inigualáveis no números de vezes que reproduzem a energia gasta para a sua produção…

Células Solares sensibilizadas por corantes



- Uma película transparente de 10m de espessura de nanopartículas de TiO2 ;- Esse filme transparente foi depositado sobre um substrato de vidro condutor;- O substrato de vidro condutor com a película transparente de TiO2 nanoestruturado foi sinterizado; · Depois do processo de sinterização, o substrato de vidro condutor com o TiO2, foi recoberto com

uma camada do corante de Ruténio, RuL2(-(CN)Ru(CN)L’2)2 (L = 2,2’bipiridina-4,4’-ácido dicarboxílico; L’= 2,2’-bipiridina);

· Utilizou como contra-eléctrodo uma película de platina;


3ª Geração- Células Solares Sensibilizadas por corantesCélula solar de Grätzel · Em 1991, um grupo de pesquisa coordenado pelo professor Michael Grätzel, da Universidade de

Lousane, na Suíça, desenvolveu uma célula fotoelectroquímica a partir de TiO2 monocristalino (anatase), de área superficial bastante alta.

· Como electrólito, utilizou-se uma mistura de carbonato de etileno com acetonitrila, contendo 0,5 M de iodeto de tetrabutil amónio e 0,04M de iodo.O dispositivo mostrou eficiência de conversão de luz solar em electricidade de 7,9%, utilizando

um simulador solar, e 12% em luz difusa, fotocorrente na ordem de 12mA/cm2 e estabilidade de 5 milhões de ciclos sem decomposição.

· Mas as células solares orgânicas têm um problema: os corantes usados são essencialmente líquidos, e líquidos muito corrosivos, que eventualmente vazam e destroem a célula solar….




3ª Geração- Células Solares Sensibilizadas por corantes: (DSSC – Dye Sensitized Solar Cell

Os cloroplastos capturam a energia solar.

Água entra na folha.

Luz solar

CO2 entra na folha através dos estómatos.

A folha liberta açúcar.

Energia Química + Dióxido de Carbono = Açúcar

Água + Luz = Energia QuímicaA fotossíntese

Dye Sensitized Solar Cell A ideia das Células Solares

Sensibilizadas por corantes, também conhecidas por células solares electroquímicas, ou células de Grätzel, deriva da função fotossíntese, executada pelas folhas das plantes em que há um conversão da energia solar em energia química.



O que acontece na fotossíntese? A fotossíntese é nada mais do que a transformação de energia solar em energia química. A energia solar é utilizada para fomentar a transformação de dióxido de carbono (CO2) e a água (H2O) em oxigénio (O2) e glucose (açúcar).

Na célula fotovoltaica, pretende-se a transformação da energia solar directamente em energia eléctrica. A célula fotovoltaica de Grätzel é constituída principalmente por moléculas de um corante (“dye”), um semicondutor nanocristalino de estrutura nanoporosa (TiO2, dióxido de titânio), um electrólito (solução de Iodo (I-/I3-), ), dois eléctrodos de vidro com uma camada condutora e transparente (SnO2) e um catalisador (grafite ou platina.


3ª Geração- Células Solares Sensibilizadas por corantes

O corante (dye) recebe do electrólito um electrão, (reacção III, abaixo). As moléculas do electrólito (solução de iodo) são reduzidas no eléctrodo positivo (recebem um electrão através do eléctrodo). Para facilitar a redução das moléculas na superfície do eléctrodo é depositado uma camada fina de grafite. Para haver um fluxo da corrente eléctrica é necessário ligar os dois eléctrodos a uma resistência de carga.

Célula solar de Grätzel





As células solares sensibilizadas por corante (DSSC - sigla do inglês dye sensitized solar cell) são pertencentes ao grupo de células solares híbridas, pois são formadas por materiais orgânicos e inorgânicos.

O seu sistema de funcionamento é formado por um ânodo foto-sensibilizado, baseado num material semicondutor, um electrólito e um cátodo foto-electroquímico. Este tipo de célula solar foi primeiramente proposto por Michael Grätzel e Brian O’Regan na École Polytechnique Féderale de Lausanne em 1991, e por isso são também conhecidas como células solares de Grätzel.

Estes dispositivos são atractivos devido ao fato de combinarem a vantagem dos materiais orgânicos e inorgânicos, ou seja, são mecanicamente resistentes, fabricados com material de baixo custo e possuem grande facilidade de processamento se comparados às células solares de silício que são comercializadas actualmente. Podem ainda ter a sua aplicação ampliada pois são mais leves e podem ser produzidas sob substratos flexíveis que e ainda podem ser coloridas de acordo com o corante utilizado.







O outro eléctrodo, o cátodo, é constituído pelo mesmo substrato de vidro recoberto com FTO recoberto com uma camada de Pt que tem o papel de catalisador na célula. Os eléctrodos devem ser unidos (sanduichados), e entre eles é depositado um electrólito, que geralmente é constituído por uma solução de iodo. A célula deve ser selada para que não haja vazamentos e o electrólito não seja drenado.

A DSSC original desenvolvida por Grätzel consiste em três partes principais: o ânodo, a película fina de TiO2 e o cátodo. Sobre o ânodo, constituído por um substrato de vidro recoberto com uma película de um óxido semicondutor transparente (como o FTO – óxido de índio dopado com flúor) é depositado dióxido de titânio (TiO2), que deve ser constituído de nanopartículas a fim de ter uma grande porosidade e alta área superficial.

Este ânodo (eléctrodo) é então imerso numa solução saturada de corante (geralmente um complexo de Ru) até que as moléculas do corante fiquem covalentemente ligadas na superfície do TiO2.








SnO2 Electrólito (I1-I3)

Película de Pt

Vidro/plástico

Nanopartículas TiO2 Vidro/Plástico

Carga

Corr

ente

a) Structural formula, and b) molecular structure of a red ruthenium dye.



Quando o corante absorve luz, bombeia electrões para o dióxido de titânio. No entanto, a nossa "folha artificial" precisa de algum 'seiva' para evitar que as moléculas de corante se “branqueiem” depois de terem perdido os seus electrões. A 'seiva' é fornecido por um líquido que contém moléculas para transportar os electrões de volta para o corante, depois de terem concluído a sua viagem através do circuito externo. Estas células ainda não são tão eficientes como as suas irmãs de silício, mas que são mais baratas de produzir e podem ser feitas em plástico flexível, bem em vidro.

Corante






Estrutura da Célula solar de Grätzel






Professor M. Gräztel

Em 2010 Gräztel foi laureado com o prémio Millennium Technology Prize

http://en.wikipedia.org/wiki/Millennium_Technology_Prize




3ª Geração- Células Solares Sensibilizadas por corantesTiO2 e Corantes

Materiais como o TiO2, são conhecidos como semicondutores com alta separação de bandas (banda de valência (BV) e banda de condução (BC)). Em geral, a separação energética entre o nível Electrónico ocupado (BV- estado fundamental) e o nível vazio (BC – estado excitado) é bem grande, da ordem de 3,0 eV, correspondendo à região próxima ao ultravioleta.

No entanto, para efeitos de produção ou conversão de energia, o uso directo do TiO2 não é justificável, visto que a maior parte da radiação visível não é aproveitada. Para ampliar a faixa de comprimento de onda, é possível usar corantes adequados, capazes de absorver a luz visível e, no estado excitado, transferir electrões para o nível vazio, banda de condução do semicondutor TiO2, compatível com o nível LUMO dos complexos de Ruténio com ligantes bipiridínicos.

Não é tóxico, é abundante, e permite a produção de películas finas com relativa facilidade. A sua função consiste em servir de suporte às moléculas de corante, bem como meio de transporte para electrões (bom transportador de carga devido à sua elevada constante dielétrica (= 80));

O TiO2 deve ser muito poroso para melhorar o contacto com o electrólito e ter o pigmento nanoparticulado.



·Entre os semicondutores, o TiO2 face às suas propriedades de tenacidade, leveza, resistência à corrosão, opacidade, inércia química, possui elevado ponto de fusão, brancura, alto índice de refracção, alta capacidade de dispersão, foto estabilidade e estabilidade química numa ampla faixa de pH2, 5 a pH8, O; As películas de óxido de titânio são duras, resistentes ao ataque químico de ácidos e bases fortes. São transparentes nas regiões do visível e do infravermelho próximo, dos espectro electromagnético.Formas alotrópicas do Ti02

Rutilo

Estrutura tetragonal Estrutura Ortorrômbica

Brookita Anotase

Estrutura tetragonal


3ª Geração- Células Solares Sensibilizadas por corantesTiO2 e Corantes



O corante representa o elemento chave da célula. Ele deve ser capaz de:· - Absorver luz numa ampla faixa espectral;

· -Injectar electrões na banda de condução do semicondutor a partir do seu estado excitado;

· -Mostrar excelente estabilidade, que permita a realização de vários ciclos de oxi-redução, gerando o maior tempo de vida operacional possível.



Os Electrões fluem do semicondutor para a solução de forma análoga ao que ocorre numa junção p-n ao formar a camada de deplexão. Após o equilíbrio inicial, a camada de deplexão passa a ser designada, de interface semicondutor/electrólito, como sendo as camadas de deplexão de Helmholtz e/ou de Gouy Chapman.

Corantes

No caso específico de DSSC, o TiO2 é um semicondutor nanoporoso adsorvido facilmente por corante. Essa superfície semicondutora possui o nível de energia de Fermi próximo da Banda de Valência (BV), caracterizando um semicondutor tipo-n, mantendo contacto com um electrólito com potencial redox-positivo.



catechol Cyanidin Fe(CN)64-

Red: Fe

Yellow: C

Grey: N

Três Moléculas de corantes


3ª Geração- Células Solares Sensibilizadas por corantesCorantes




3ª Geração- Células Solares Sensibilizadas por corantesElectrólito

“Electrólito é uma substância que, quando dissolvida num dado solvente, produz uma solução com uma condutividade eléctrica maior que a condutividade do solvente empregado.”

· O electrólito tem ampla aplicação nos processos do eléctrodo e, a princípio, deve possuir propriedades, tais como: ·Elevada solubilidade, e elevado grau de ionização, estabilidade química e electroquímica.

· Com relação às suas aplicações, verifica-se que são bastante amplas:· - Mantém os coeficientes de actividade praticamente constantes;· - O número de transporte da espécie eletroactiva praticamente igual a zero;· - Diminui a espessura da dupla camada eléctrica;· - Mantém a viscosidade;· -O coeficiente de difusão e o número médio de ligantes constantes, além de incrementar a

condutividade em meios de solventes polares, tanto orgânicos quanto inorgânicos.

Triiodeto de (I3-) é uma das espécies iónicas castanhas, que se formam quando o iodo elementar (I2) é

dissolvido em água contendo iodeto (I-). 32 I II



3ª Geração- Células Solares Sensibilizadas por corantesInterface TiO2- Electrólito


Quando um semicondutor é colocado em contacto com o electrólito, uma situação de equilíbrio eletrostático é estabelecida no sistema. Ocorre o nivelamento das energias de Fermi do semicondutor com o par redox, e dessa forma, também é estabelecido um equilíbrio no potencial químico, ou seja, o resultado final para o nível de Fermi do semicondutor é tal que E F= E0 (potencial químico do par redox).

O sentido do fluxo de cargas depende do tipo de semicondutor utilizado, logo. Depende da posição relativa de EF em relação a E0. Trata-se de um modelo parecido com junções p-n. Nas células fotoelectroquímicas, pelo menos um tipo de portadores de carga é colectado por espécies redox (Ox/Red) do electrólito.

Nas células fotoelectroquímicas de TiO2 os contactos metálicos ocorrem no pólo negativo (TiO2-SnO2:F – pode-se adicionar prata como contacto metálico no vidro condutor transparente de SnO2:F) e no contra-electrodo (Pt). Essas junções não participam activamente no processo fotovoltaico, sendo que o contra-electrodo funciona como catalisador que devolve eficientemente os electrões ao electrólito no final do ciclo. Estes contactos são caracterizados como óhmicos.



3ª Geração- Células Solares Sensibilizadas por corantesFuncionamento


A Formação de pares electrão-lacuna. A incidência de luz com energia maior que a BG, provoca aceleração e separação de cargas onde o campo é diferente de zero, produzindo uma corrente através da junção. Surge, então, uma diferença de potencial, que é o efeito fotovoltaico.

·Separação de cargas por meio de campo eléctrico entre os materiais semicondutores dopado de –p e –n ( Si II-VI, a-Si:H).

·Separação de cargas por meio de competição cinética como na fotossíntese.

Cargas livresExcitão

Interface





Diagrama de energias





· O corante é o material fotoactivo da DSSC, e pode produzir energia eléctrica, logo que seja sensibilizado pela luz.

Eléctrodo Transparente

Contra -Eléctrodo

·O corante capta os fotões da luz de entrada (luz solar, artificial ou ambiente) e usa a sua energia para excitar os electrões, comportando-se como a clorofila na fotossíntese.

· O corante injecta esses electrões animados no Dióxido de Titânio (um pigmento branco normalmente encontrado na tinta branca).

· Os electrões são conduzidos pelo dióxido de Titânio nanocristalino (a forma cristalizada em nano-escala do dióxido de Titânio) para o eléctrodo transparente.

· Depois do circuito externo ser fechado dando origem á corrente eléctrica para o contra eléctrodo, um electrólito químico devolve o electrões regenerando o corante.



1. Os electrões do corante ficam excitados pela absorção da energia solar.

dye + luz (energia solar)→dye*2. São injectados na Banda de condução do

TiO2.dye* + TiO2→e- (TiO2) + dye oxidado.

3. Chegam ao contra-eléctrodo (Cátodo) através do circuito externo.

4. Regeneração Redox no contra-eléctrodo (oxidação)

dye oxidado + 3/2|¯ → dye (neutro) + 3/2|3⁻ : 5. Reacção de regeneração do

corante (redução). 3/2|3⁻ + e-(eléctrodo) → 3/2|.

6. Potencial usado no circuito externo:

-3I2eI -3

2eI3I -3

-

redoxFext VEV

Red=I-Ox =I3-

Ionic Liquid [bmim]+ I -





Para o bom funcionamento de uma DSSC a luz solar deve passar através do substrato de vidro, da película FTO e atingir o corante adsorvido na superfície da molécula de TiO2. O TiO2 absorve apenas uma pequena fracção de fotões provenientes da luz solar. Os fotões que atingirem o corante e tiverem energia suficiente para serem absorvidos, criam um estado excitado no corante, de onde um electrão pode ser ejectado e ir directamente para a banda de condução do TiO2. O electrão então se difunde através do TiO2 até o cátodo. Devido à perda do electrão, a molécula de corante decompõe-se, mas em seguida é regenerada por um electrão proveniente do electrólito de iodo, que é oxidado ao ião triiodeto (I3-). Esta reacção ocorre muito rápido se comparado ao tempo que leva para o electrão que foi ejectado voltar à molécula que foi oxidada. Esta diferença no tempo de reacção evita a recombinação, que poderia provocar um curto-circuito na Célula. Por sua vez, o ião triiodeto recupera seu electrão perdido através de difusão até ao cátodo, onde o contra eléctrodo (Pt) reintroduz o electrão após este fluir através do circuito externo.

Teoricamente, um bom corante deverá absorver o máximo possível em todo espectro solar, ligar-se fortemente à superfície semicondutora, ter um potencial redox adequado e ser estável por vários anos de exposição solar. Dentre os tipos de corantes utilizados recentemente na produção de DSSC podem-se destacar os complexos de metais de transição. Também podem ser utilizados corantes naturais, extraídos de folhas e frutos que possuem principalmente antocianinas, como a jabuticaba, mirtilo, amora, entre outros.





CoranteTiO2 Electrólito Cátodo

Semicondutor de Gap elevado

e-

hν1

h+

1. Absorção da luz.

Ânodo

-0.5

0

0.5

1.0

S*

S°/S+

OxRed

Ener

gia

do E

lect

rão

(eV

vs. N

HE)

-1.023

2. Injecção no semicondutor

Operação que consiste na passagem de um líquido por uma substância (com poros) para fazer com que seja retirado o que se pode dissolver;

3. Percolação.

h+

4

4. Regeneração do corante oxidado.

5

h+

e-

Carga Externae- h+

5. Regeneração de espécies oxidadas.

TCO






3ª Geração- Células Solares Sensibilizadas por corantesEficiênciaMuitas medidas são utilizadas na caracterização das DSSC, porém a mais importante é a medida da

energia eléctrica produzida por quantidade de energia solar incidida na célula. Esta medida é expressa em percentagem e é conhecida como eficiência de conversão solar.

A potência é o produto da tensão e corrente, então os valores máximos dessa medida é importante, assim como a Isc (densidade de corrente de curto circuito) e Voc (tensão de circuito aberto). Ainda, a eficiência quântica pode ser usada para comparar a probabilidade que um fotão (com uma certa energia) irá promover um electrão.

Devido ao fato das nanopartículas de TiO2 estarem recobertas com o corante, logo, uma grande área superficial, existe uma grande probabilidade de que o fotão incidente promova um electrão, assim em termos de eficiência quântica, as DSSC são muito eficientes.

Teoricamente, a tensão máxima gerada por cada célula é a diferença entre o (quasi-)Fermi level do TiO2 e o potencial redox do electrólito, em torno de 0,7 V sob iluminação (Voc). Isto é, uma DSSC iluminada conectada a um voltímetro em circuito aberto deve ser lida a tensão de 0,7 V. Embora o corante seja altamente eficaz na conversão dos fotões absorvidos em electrões livres no TiO2, apenas os fotões absorvidos pelo corante irão produzir corrente.

A taxa de absorção de fotões depende do espectro de absorção da camada de TiO2 sensibilizadas pelo corante, sobre o espectro de fluxo solar. A sobreposição dos dois espectros determina a possibilidade máxima de fotocorrente.




3ª Geração- Células Solares Sensibilizadas por corantesEficiênciaOs corantes tipicamente utilizados têm baixa absorção na parte vermelha do espectro se comparados

ao silício, o que significa que um menor número de fotões são utilizados para a geração de corrente. Estes factores limitam a corrente gerada por uma DSSC, para comparação, uma célula de silício solar tradicional proporciona cerca de 35 mA/cm2, e as DSSCs atuais geram cerca de 20 mA/cm2.

DegradaçãoAs DSSCs degradam-se quando expostas à radiação ultravioleta. Por isso o eléctrodo pode ser

constituído de estabilizadores de UV e/ou UV cromóforos luminescentes (que absorvem a radiação solar e emitem em comprimentos de onda mais longos) e antioxidantes, que protegem e aumentam a vida útil da célula.

DesvantagensA principal desvantagem nas DSSCs ,é o uso do electrólito líquido, que apresenta problemas em

relação à estabilidade e temperatura. A baixas temperaturas, o electrólito pode congelar, interrompendo o processo da célula. A altas temperaturas o líquido pode expandir-se, e vazar do dispositivo se este não estiver com uma vedação perfeita. Ainda, o electrólito possui compostos orgânicos voláteis (solventes), que devem ser cuidadosamente vedados, pois podem ser prejudiciais à saúde humana e ao ambiente. Estas desvantagens, junto ao facto dos solventes permearem substratos poliméricos, têm impedido sua aplicação em larga escala ao ar livre, assim como sua integração em estruturas flexíveis …



No entanto, até agora a sua eficácia global tem sido menor do que as células solares à base de silício, principalmente por causa da perda de tensão inerente á regeneração do corante sensibilizante , além do facto dos corantes usados serem essencialmente líquidos, e líquidos muito corrosivos, que eventualmente vazam e destroem a célula solar…...


3ª Geração- Células Solares Sensibilizadas por corantesElectrólito no estado sólidoAs Células solares sensibilizadas por corante (DSSCs) têm muitas vantagens sobre as suas homólogas à

base de silício. Oferecem transparência, baixo custo e eficiência de conversão de alta potência em condições de luz fraca e artificiais.

Numa publicação Nature, os cientistas da EPFL desenvolveram uma versão do estado sólido da DSSC que é fabricada por um novo processo de duas etapas, aumentando a sua eficiência até ao record de 15% , sem sacrificar a estabilidade

A nova forma de realização da DSSC no estado sólido, utiliza um material de perovskita como um colector de luz e um material de transporte orgânico de lacunas para substituir electrólito da célula. Fabricação típica desta nova DSSC envolve a deposição do material de perovskita directamente sobre uma película de óxido metálico. O problema é que a adição de todo o material em conjunto, muitas vezes provoca grande variação na morfologia e na eficiência da célula solar resultante, o que torna difícil utilizá-las em aplicações mais práticas….

Actualmente, o recorde de eficiência alcançada em células de nanopartículas de TiO 2 usando electrólito líquido é de 11%, sob radiação AM 1,5 (luz directa).




Electrólito no estado sólidoEm 2006, pesquisadores do Japão usaram uma mistura de materiais orgânicos e inorgânicos para

criar a primeira célula solar de perovskita do mundo, com uma eficiência de 2,2%. Estas células solares iniciais utilizavam materiais líquidos e eram muito semelhantes na estrutura ás células sensibilizadas por corantes DSSCs - uma tecnologia de PV, que até agora, não tinha conseguido o nível comercialmente, mas que tem sido bem estudada ao longo dos anos.

Para tornar o material de perovskita numa célula solar, o material é simplesmente depositadas no topo de uma camada de óxido de estanho, que assenta sobre um substrato de vidro. Um material adicional (chamado meio de transporte lacunas ou buracos) é adicionado no topo da perovskita antes da adição de um contacto metálico (geralmente de ouro ou de prata). Esta estrutura resulta simplesmente semelhante á estrutura celular das anteriores DSSCs…

Luz

VidroFTO- Fluorine-doped Tin OxideTiO2 compactoPerovskitaHTM- hole transport mediumAu

Perovskita

Au/Ag[Structure of a Perovskite solar cell] Image Credit: Martin Green et al / Nature Photonics


http://www.nature.com/nphoton/journal/v8/n7/full/nphoton.2014.134.html




Os Corantes não absorvem toda a luz incidente, reduzindo a eficiência DSSC.Em 2009, Miyasaka (Toin U. de Yokohama, Japão) usou a perovskita como possível substituto do

corante e alcançou 3,8% de eficiência.·Problema: O electrólito líquido dissolvia a perovskita em minutos.

Ouro

VidroFTOTiO2

TiO2

Electrólito líquidoPerovskita Hibrida0.15 M LiI e 0.075 M em metoxiacetonitrilo

Electrólito no estado sólido3ª Geração- Células Solares Sensibilizadas por corantes



Ouro

VidroFTOTiO2

TiO2

Hole Transporting LayerPerovskita Hibrida

Electrólito no estado sólido: Substituindo o electrólito líquido por uma camada sólida de transporte de lacunas (HTL- Hole Transporting Layer).

2012, Nam-Gyu Park (Sungkyunkwan U., Coreia do Sul) em equipa com M. Grätzel, obtém uma eficiência superior a 9%...

HTL layer: spiro-OMeTAD






Electrólito no estado sólido

A equipa de Michael Grätzel na EPFL, resolveu o problema com uma abordagem em duas fases: em primeiro lugar, uma parte da de perovskita é depositada nos poros sobre o óxido-metal. Em segundo lugar, a parte depositada é exposta a uma solução que contém o outro componente da de perovskita.

Perovskita (óxido de Cálcio e Titânio, CaTiO3),

Quando as duas partes entram em contacto, elas reagem instantaneamente convertendo o pigmento completamente sensível à luz, permitindo um controlo muito melhor sobre a morfologia da célula solar.

O novo método eleva o poder de conversão e eficiência das DSSCs até um recorde de 15%, superando os ganhos de eficiência de conversão de energia das células solares convencionais, à base de silício amorfo. Os autores acreditam que ele vai abrir uma nova era de desenvolvimento das DSSCs, com estabilidade e eficiência que igualam, ou até mesmo superam melhores dispositivos fotovoltaicos de película fina de hoje.

Professor M. Gräztel e a sua nova célula

3ª Geração- Células Solares de Perovskitas (PSCs)



Células Fotovoltaicas: Novas tecnologias em desenvolvimento3ª Geração- Situação

· Recentemente, pesquisadores conseguiram construir uma célula de Gratzel inteiramente de estado sólido, eliminando de vez o problema dos vazamentos e da durabilidade das células. A nova solução vem pelas mãos da equipa de Robert Chang e Mercouri Kanatzidis, da Universidade Northwestern, nos Estados Unidos.

· O electrólito líquido das células originais de Gratzel foi substituído por um composto de césio, estanho e iodo (CsSnI3).

· Ao contrário do conceito original, a nova célula solar orgânica de estado sólido usa semicondutores tanto do tipo p (positivo) quanto do tipo n (negativo), conectados por uma camada de moléculas de corante.

· Nanopartículas de dióxido de titânio, quase esféricas, fazem o papel de semicondutor do tipo n. O novo material (CsSnI3) faz o papel de um semicondutor solúvel do tipo p – depois de aplicado, o solvente evapora e a célula solar fica inteiramente sólida.

· O protótipo apresentou uma eficiência excepcional para as células solares orgânicas: 10,2%. A grande eficiência foi alcançada por que o próprio material sólido agora desenvolvido é um absorvedor de luz, um papel que não é desempenhado pelo electrólito líquido original. Essa dupla personalidade do semicondutor faz com que a nova célula solar não possa ser rigorosamente descrita como sendo uma célula de Gratzel – é uma variante desta.



· Elas não são ainda tão eficientes quanto a célula solar mais eficiente do mundo, mas têm outras vantagens. O novo dispositivo pertence a uma categoria emergente de células solares cristalinas feitas com uma classe de semicondutores chamados perovskitas. A sua grande vantagem é que, a exemplo das células solares orgânicas - tipo DSC -, as células solares de perovskita são construídas sobre substratos plásticos, o que lhes dá flexibilidade e um bom nível de transparência - com a grande vantagem de que são totalmente de estado sólido.

Células Fotovoltaicas: Novas tecnologias em desenvolvimento3ª Geração- Situação




As Perovskitas tomaram o mundo da pesquisa das células fotovoltaicas, numa tempestade nos últimos anos, graças a um crescimento sem precedentes em termos de eficiência no material. A eficiência de células solares de perovskita passaram de uns insignificantes 2,2% para uns impressionantes 19,3% de significado comercial, em menos de 7 anos - uma taxa de desenvolvimento simplesmente inigualável por outras tecnologias de células fotovoltaicas….

O que são perovskitas?

Embora o material em si, seja bastante banal, é o arranjo dos átomos dentro de seu cristal que está criando todo este frenesim. O mineral de perovskita consiste de um cristal em que três átomos (de cálcio, de titânio e de oxigénio) são dispostos numa ordem específica, que se repete. Hoje, as perovskitas referem-se a qualquer material que possui essa estrutura cristalina especial (mostrado a seguir).

Os cientistas descobriram que, ao escolher os materiais certos para os componentes A, B e X na figura ao lado, é possível criar um material estável com uma habilidade incrível para converter luz em electricidade.

CaTiO3(XIIA2+VIB4+X2–3)

3ª Geração- Células Solares de Perovskitas (PSCs)Electrólito no estado sólido: Perovskita




Electrólito no estado sólido: Materiais de Perovskita3ª Geração- Células Solares de Perovskitas (PSCs)

Óxido inorgânico de Perovskita

(AMO3)

Perovskita intrínseca(AMO3para sistemas mais complicados)

Halogéneos de Perovskita

(AMX3) X=F,CL,Br,I

PerovskitaSistema cristalino

(AMX3)

Perovskita Dopada

(AxB1-X MyN1-y OzP3-Z)

Halogénios alcalinos de Perovskita

Halogénios Organo-metálicos de

Perovskita(Estrutura 3D por

camadas)



Células Fotovoltaicas: Novas tecnologias em desenvolvimento3ª Geração- Células Solares de Perovskitas (PSCs)

· As Perovskitas têm uma ampla gama de aplicações em tecnologias, especialmente nos iónicos de estado sólido. As Perovskitas são actualmente utilizadas em sensores, dispositivos de memória (RAM), amplificadores, células de combustível, dispositivos supercondutores e electróptica.

· As Perovskitas estão abrindo um campo totalmente novo de aplicações, que estão mudando o nosso mundo actual.

Estrutura Cúbica

Estrutura de perovskitas com a fórmula química ABX3.

· A estrutura de perovskita é qualquer material com uma estrutura de cristalográfica como o óxido Cálcio Titânio (CaTiO3). A forma geral para os compostos de perovskita é ABX3. Onde “A” e “B” são dois catiões de tamanhos muito diferentes, e “X” é um anião que se liga a ambos. A estrutura ideal da perovskita é descrita como cúbica. Os átomos “A” formam os cantos das células cubicas. Os átomos “B” estão no centro, e os átomos de oxigénio estão situados no centro das faces , como mostra a figura.

Electrólito no estado sólido: Perovskita



A Perovskita (óxido de cálcio e titânio, CaTiO3), é um mineral relativamente raro ocorrendo na forma de cristais ortorrômbicos (pseudocúbicos).

A perovskita encontra-se nas rochas metamórficas e associada a intrusões máficas, a sienitos nefelínicos e raramente a carbonatitos. A perovskita foi descoberta nos montes Urais na Rússia, por Gustav Rose em 1839, e foi nomeada em homenagem ao mineralogista russo Lev A. Perovski (1792-1856).

Estrutura da Perovskita.

As esferas vermelhas são de átomos de oxigénio, a azul-escuro catiões menores de metal, e a verde/azul são catiões maiores de metal.


Electrólito no estado sólido: Perovskita3ª Geração- Células Solares de Perovskitas (PSCs)



Processamento solúvel.A Baixa temperatura. Elemento abundante.

Perovskita

ABX3 (CaTiO3)

CH3NH3+ Pb2+ I- I-,cl-

CH3NH3PbI3 CH3NH3PbI3-xClx

J. Phys.Chem.Lett., 2013, 4(15), pp 2423-2429


Halogénios Organo-metálicos de perovskitas3ª Geração- Células Solares de Perovskitas (PSCs)

Alta absorção. Baixo nível de energia de excitação.Excelente mobilidade de cargas.



O que faz as perovskitas tão fascinantes?


Electrólito no estado sólido

· As Perovskitas têm uma série de características únicas que as tornam um óptimo material para células solares. As perovskitas absorvem mais luz do que os materiais convencionais, tais como células solares de silício e, assim, têm um limite superior teórico de corrente que pode ser extraído a partir do material.

· E contrariamente ao que o silício, o espectro de luz absorvida pelas perovskitas realmente aumenta com a temperatura - ideal para uso ao ar livre. Além disso, uma vez que a luz absorvida gera electrões dentro da Perovskita, menos desses electrões são perdidos devido aos mecanismos de recombinação excepcionalmente baixos, no interior do material. Isto tem um impacto no aumento tanto da corrente como na tensão extraíveis a partir do dispositivo - importante para atingir alta eficiência.

· As células solares de Perovskitas estão apenas a alguns anos da comercialização. A Oxford PV, espera refinar e adaptar a técnica de deposição de baixo custo para criar módulos de perovskita comerciais até 2016 com eficiências próximas dos 20%...

3ª Geração- Células Solares de Perovskitas (PSCs)



Electrólito no estado sólido: Camada única de Al2O3 granulado

Ouro

Vidro

FTOTiO2

TiO2

Hole Transporting Layer

2012, Henry Snaith (Oxford U.): O TiO2 granulado é essencial para a alta eficiência?

· Usando granulado de Al2O3 isolante, esperava ver uma diminuição da eficiência. Surpreendentemente, o dispositivo com Al2O3 tem uma eficiência mais elevada do que com TiO2 (11% versus 7,6%).

Al2O3

· Se o granulado de Al2O3 faz isso, e se a gente se livrasse dele também?

Película de camada única (thin film device ) Ouro

Camada de transporte de Lacunas

Perovskita Hibrida

VidroFTOTiO2


Perovskita Hibrida

2013 15 %Deposição a Vácuo

+Solução de

Perovkita 2013 11 %Solução

CH3NH3I PbI2

Science. 2012, 338, 643.Nature. 2013, 501, 395.

Adv. Funct. Mater. 2014, 24, 151

· Não precisa de interfaces artificiais para eficiente a separação de cargas.

· Estes dois resultados são notáveis, em que provam que as perovskitas funcionam como semicondutores convencionais (Si, GaAs, etc).



TiO

OOO

CH3NH3I PbI2

(CH3NH3)PbI3

Perovskite Precursor Solution

fluorine-dopedtin oxide substrate

spin coat

then anneal

spin coat perovskite

then anneal

spin coatspiro-OMeTAD

Image Credit: M.B. Johnston

HOMO

HOMO

spiro-OMeTAD Au

-5.4

-3.9

-5.2 -5.1

LUMOCB

E (eV)

TiO2(CH3NH3)PbI3

hv

Electrólito no estado sólido: Camada única de Al2O3 granulado


Perovskite Solar Cells ©2014, Wenchun Feng

-4.0

leave in air to dope via oxidation



PbI2

CH3NH3I

mesoporous TiO2

Efficiency: 15%Nature. 2013, 499, 316

perovskite


Sequential Deposition2013, Grätzel sticks with the TiO2 structure and tinkered with the deposition steps.



Contacto tipo-p


Perovskite solar cells

Sensitized Perovskite Solar Cell

e-

h+

· Esquema de uma célula solar sensibilizada por perovskita, em que a camada activa constituída por uma camada de TiO2 de porosidade intermédia, que é revestida com perovskita como absorvedor de luz. A camada activa é posta em contacto com um material do tipo n, para a extracção de electrões e um material do tipo p para a extracção de buracos ou lacunas (h+).

· Geração e extracção de cargas na arquitectura sensitizada. Após a absorção de luz no absorvedor de perovskita, o electrão fotogerado é injectado no TiO2 de porosidade intermédia, através do qual é extraído. A lacuna concomitantemente gerada é transferida para o material do tipo-p.



Mesoporous (DSC) vs Planar (thin film PV)AuHTM

TiO2/CH3NH3PbI3

FTO

Glass

Ag

Spiro-OMeTAD

PerovskitaCompact TiO2

FTO

GlassDesafios:•  Estruturas dos dispositivos.•  Histereses.•  O problema “chumbo (Pb) ”.•  Estabilidade


Perovskite solar cells · Como células solares terceira geração, as células solares sensitizadas por perovskita (PSCs) têm alta eficiência de

conversão de energia,. Os mecanismos fundamentais de geração de carga e transporte para as PSSCs são semelhantes aos das células solares sensitizadas por corantes. Os materiais de perovskita são carregados no TiO2 mesoporoso para absorver a luz e gerar electrões. Os electrões são então injectados no TiO2 e acumulado por nanofitas de dióxido de estanho dopado com flúor, SnO2 (FTO). Após o trabalho no circuito externo, esses electrões são então recebidos pelo contra eléctrodo e entregues inteiramente por materiais de transporte para regenerar a perovskita.




Perovskite solar cells

Thin film Perovskite Solar Cell

· Esquema de uma célula solar de película fina de perovskita. Nesta arquitectura, apenas uma camada lisa de perovskita é imprensa entre os contactos selectivos.

· Geração de cargas e extracção na arquitectura de película fina (thin-film). Após a absorção da luz tanto de geração de carga, como a sua extracção, ocorrem na camada de perovskita.e-

h+



AlmTiO2NPs

P3HT:PCBMPDOT:PSSITO


Perovskite solar cells · Como parte da busca contínua de novos materiais adequados para transporte de electrões nas

intercamadas das PSCs, onde a superfície das nanopartículas de TiO2 (TiO2NPs) que foram modificadas e introduzidas entre as camadas activas e eléctrodos nesta PSC. A camada intercalar de nanopartículas de TiO2 (mTiO2NP) de superfície modificada, melhora a interface metal-orgânico nas células solares BHJ de P3HT: PCBM sem a necessidade de surfactantes (agentes de actividade superficial), e as suas superfícies película-ar ficam mais suaves, sem rugosidades ou lacunas. Esta camada intermédia desempenha um papel crucial como uma camada de colheita de electrões nas células solares BHJ de P3HT: PCBM e bloqueia as lacunas ou buracos da interface metal-orgânico.

· Além disso, mTiO2NPs também desempenha um papel adicional como uma camada de difracção e fornece uma maneira eficiente de alcançar a luz nas “light trapps” das PSCs. A deposição da intercamada de mTiO2NPs é relativamente simples e conveniente e pode ser processada através de “spin-coating”.



· Novo design da célula de perovskita (2014), remove a camada condutora de lacunas, diminui custos e melhora a estabilidade!...


Perovskite solar cells: The triple-layer perovskite junction

· Num estágio inicial de desenvolvimento, obtiveram-se até 17% de eficiência, usando materiais abundantes, e só exigem métodos de solução a baixa temperatura para criar e manter a promessa de grande redução de custos. A perovskita central utilizada, até agora, é o haleto de chumbo metilamio (MAPbX3, em que X é um halogéneo, frequentemente iodo). A estrutura cristalina parece-se com isto:

· A onde A é o metilamio, e M é o chumbo, o qual é rodeado pelo halogéneo (X). Estes tipos de células solares só foram estudado recentemente- que ao comparar ás décadas de pesquisas das célula solar de silício, e a eficiência e os custos são certamente para melhorar. Também têm uma elevada estabilidade, dando-lhes uma vantagem sobre as células solares orgânicas (pelo menos por agora), grandes coeficientes de absorção (mais luz absorvida para excitar os electrões, o que significa mais energia), e alta mobilidade de transportador (o quão rápido os electrões / lacunas se podem mover através do material a ser extraído para fazer o trabalho), todas as principais qualidades para um bom célula solar. Isso é coisa emocionante! E agora há uma nova pesquisa da Ciência mostrando eficiência como o desempenho mais de 10% pode ser alcançado ao remover a parte mais cara do celular! Veja como ...



· Normalmente, uma célula solar de perovskita terá uma camada condutora de lacunas, que é um material que atrai lacunas ou buracos, mas não electrões. Isso ajuda a separação electrão-lacuna que é necessária quando a luz que atinge a célula e excita um electrão. De seguida, as lacunas difundem-se para a camada condutora de lacunas, que as move para um contacto de ouro altamente condutor para extrai-las para fazer o trabalho pelo circuito externo (os electrões fazem algo semelhante no sentido oposto).


Perovskite solar cells:The triple-layer perovskite junction

· Imagine um grupo destas moléculas misturadas em conjunto para formar uma camada fina sobre a célula solar. O ponto chave aqui é que, sendo orgânica, esta camada condutora de lacunas, limita a estabilidade da célula (materiais orgânicos degradam-se muito rapidamente) e é também a parte mais cara! Então, se nos livrarmos dessa camada condutora de lacunas, seria melhorar a estabilidade e diminuir os custos. E isso é exactamente o que Mei et al, fez…

· Em células solares de perovskita, esta camada condutora de lacunas é tipicamente feito de arilamina espiro - OMeTAD! Esta é, basicamente, um composto orgânico feito dum grupo de carbonos aromáticos ligados a átomos de nitrogénio e oxigénio. Parecidos com isto:




Perovskite solar cells:The triple-layer perovskite junction

· Isto tem um pouco de física do estado sólido para se entender, mas vamos apenas focar-nos nas camadas de TiO2 e ZrO2 para mostrar como funciona a célula:

· Esta é uma representação esquemática do novo design da célula solar de perovskita usada. Em vez de usar espiro - OmeTAD como uma camada condutora de lacunas para bloquear os electrões, habilmente foi utilizado um design de três camadas que tira proveito das diferenças de deslocamentos de energia na banda de condução entre a camada de TiO2 (titânio) e a camada de ZrO2 (zircónio).

· O vermelho na figura indica a perovskita - começa como uma solução que é misturada com o TiO2 mesoporoso e a camada de ZrO2. A Luz recebida excita electrões na perovskita, que tem o intervalo de banda electrónico correcto para absorver de forma óptima a luz, que em seguida, serão rapidamente transferidos para o TiO2. Neste momento, os electrões e buracos podem se movimentar, e nós queremos tê-los a moverem-se em direcções opostas para eles não se recombinarem - Nesse ponto, nós perdemos nossa carga excitada e não pode ganhar qualquer energia. Mei et al descobriu que esta interface ZrO2-TiO2 intrinsecamente permite que os electrões e buracos se possam separar.




Perovskite solar cells:The triple-layer perovskite junction · Tem um pouco de física do estado sólido para

entender os detalhes, mas a ideia básica é que os electrões precisariam de ainda mais energia para se moverem para o ZrO2, enquanto buracos passariam naturalmente para o ZrO2 durante o seu processo de difusão.

· Assim, a interface ZrO2-TiO2 cria uma barreira natural contra os electrões, mas aceita abertamente buracos. Assim, a interface desempenha apenas o papel que a camada de espiro-OMeTAD estava fazendo antes, mas agora utilizando, um material estável barato (ZrO2)! Electrões e lacunas ou buracos são separados e extraídos a partir da junção de TiO2-ZrO2 para percorrerem um circuito externo…

· Pode parecer um conceito simples, mas interfaces entre materiais podem ser uma região difícil, de física misteriosa, e nós nem sempre sabemos como os electrões e lacunas irão responder. Com este design de célula, Mei et al alcançou uma eficiência de 12,8% e estabilidade superior a 1000 horas! Também descobriram que a remoção da camada de ZrO2 reduz severamente o desempenho da célula para eficiência de 4,18%, indicando o seu papel crucial no bloqueio de transporte de electrões. Este é um grande passo em frente na redução do custo deste novo tipo promissor de células solares.



2011 –Eficiência =5% Processamento – 5000C.Instável a Uvs.

2014–Eficiência =17% Processamento – 1500C.Estável a Uvs.

http://www.oxfordpv.com/sites/www.oxfordpv.com/files/media-downloads/general/oxford-pv-introduction-152.pdf.


Evolução das células solares de Perovskita

http://www.oxfordpv.com/sites/www.oxfordpv.com/files/media-downloads/general/oxford-pv-introduction-152.pdf




Evolução das células solares…Situação· Em 2013, tanto a arquitectura planar como a sensibilizada por corantes viu um número

de desenvolvimentos. Foi demonstrada uma técnica de deposição para a arquitectura das sensibilizadas, com eficiência superior a 15% por uma solução de processamento em dois passos, a um tempo semelhante, mostrando que era possível fabricar células solares planares por evaporação térmica, e também alcançar eficiências superiores a 15%. Também foi mostrado que era possível fabricar células solares de perovskita na arquitectura típica 'células solares orgânicas DSSC ", numa configuração" invertida "com o transportador de lacunas em abaixo, e o colector de electrões acima da película planar de perovskita.

· Novas técnicas de deposição e eficiências ainda mais elevadas foram registadas em 2014. Uma eficiência de 19,3% foi conseguida usando a arquitectura thin-film planar na configuração invertida em Novembro de 2014, e um dispositivo por pesquisadores da KRICT atingiu um novo recorde com a certificação de uma eficiência não estabilizada de 20,1%, também em Novembro de 2014. Na 6ª Conferência Mundial sobre Conversão de Energia fotovoltaica em Kyoto, Japão, foi mencionada, sem detalhes, a realização de uma célula solar com uma única junção de perovskita com uma eficiência de conversão de energia, de 24%.




Evolução das células solares…Situação

Estabilidade

Um grande desafio para células solares de perovskita é o aspecto da estabilidade a curto e longo prazo. A solubilidade na água do componente orgânico do material absorvedor, torna os dispositivos altamente propensos a uma rápida degradação em ambientes húmidos. O encapsulamento do absorvedor de perovskita, com um composto de nanotubos de carbono e uma matriz de polímero inerte, tem demonstrado prevenir com sucesso a degradação imediata do material quando exposto ao ar ambiente húmido a temperaturas elevadas. No entanto, não há estudos a longo termo e técnicas de encapsulamento completas ainda não foram demonstradas para células solares de perovskita. Além da instabilidade com a humidade, também tem sido demonstrado que a forma de realização dos dispositivos em que uma camada de TiO2 de porosidade intermédia é sensibilizada pelo absorvedor de perovskita apresentando uma instabilidade á luz UV induzida. A causa para o declínio do desempenho destas células solares está ligado à interacção entre as lacunas fotogeradas no interior do TiO2 e os radicais de oxigénio sobre a superfície de TiO2. A ultra baixa condutividade térmica medida de 0,5 W / (Km) à temperatura ambiente do CH3NH3PbI3 pode impedir a propagação rápida do calor depositado pela luz, e manter a resistência celular em tensões térmicas que podem reduzir o seu tempo de vida…




Evolução das células solares…SituaçãoComportamento da corrente / tensão: - histereses

Outro grande desafio para células solares de perovskita é a observação de que as varreduras atuais de valores de tensão e eficiência serem ambíguas. A eficiência na conversão em potência de uma célula solar é geralmente determinada pelo comportamento da característica corrente/tensão (IV) sob iluminação solar simulada. Em contraste com outras células solares, no entanto, tem-se observado que as curvas IV das células solares de perovskita mostram um comportamento histerético: dependendo das condições de varrimento - tais como direcção de varrimento, velocidade de varrimento, imersão luz, polarização - existe uma discrepância entre o varrimento de polarização directa/curto-circuito (FB-SC) e o varrimento de curto-circuito/Polarização directa (SC-FB). Várias causas têm sido propostas tais como o movimento de iões, a polarização, os efeitos ferroeléctricos, preenchimento de “trap states”, no entanto, a origem exacta para o comportamento histerético ainda está para ser determinada. Mas parece que a determinação da eficiência da célula solar a partir das curvas - IV podem produzir valores inflacionados se os parâmetros de varrimento excederem a escala de tempo que o sistema perovskita exige, a fim de chegar a um estado electrónico estacionário. As observações das características histeréticas da corrente-tensão, têm sido, até agora, largamente subestimadas. Apenas uma pequena fracção de publicações reconhece o comportamento histerético dos dispositivos descritos, ainda menos artigos mostram as curvas IV não histeréticos lentas ou saídas de alimentação estabilizadas. Eficiências relatadas, com base em medições rápidas de IV, têm que ser consideradas bastante incertas e torna-se actualmente difícil de avaliar os progressos genuínos neste campo…..



Scheme of a typical bio-photovoltaic cell based on natural pigments containing anthocyanins, betalains and some chlorophyll derivatives as sensitizer.

Células Fotovoltaicas: Novas tecnologias em desenvolvimentoCélulas Bio-fotovoltaicas



CNC

CNF

Bio-sourced block copolymer

Transparent CNF film

Nano-patterned & conductive CNF

Self-assembled BCP thin-film

Bio-sourced high added-value films

Photovoltaics

Technical films for printed electronics

Next generation nanolithography SERS bio-sensor

Bio-membrane

Smart-paperLighting & display

Anti-reflective Anti-counterfeiting & decorating

Natural plant resources

Bio-sourced copolymer

Plant based nanomaterials

Ultra-high nano- structured thin films

Applications developed during the project

Future applications enabled by the technology

European union seventh framework programme (FP7/2007-2013)

Células Fotovoltaicas: Novas tecnologias em desenvolvimentoCélulas Bio-fotovoltaicas

·Programa de investigação universitária financiado pela EU.



European union seventh framework programme (FP7/2007-2013)Células Bio-fotovoltaicas


·Programa de investigação universitária financiado pela EU.

https://www.youtube.com/watch?v=efcgdFxIuqU

https://www.youtube.com/watch?v=efcgdFxIuqU



Células Fotovoltaicas: Novas tecnologias em desenvolvimentoCélulas fotovoltaicas e o Grafeno

Grafeno

Thin-filmEngenharia Molecular

Síntese

Híbridos

Aplicações Energéticas· A possibilidade de combinar com outras substancias químicas o outorgam um grande potencial de

desenvolvimento. Os electrões do grafeno podem mover-se com maior liberdade (se comportam como quase partículas sem massa), em relação a outros materiais.

· O grafeno e um material composto por átomos de carbono densamente alinhados numa rede cristalina com forma de colmeia de abelhas (hexagonal) e de um átomo de espessura. O grafeno é flexível, é 200 vezes mais resistente que o aço, com alta condutividade térmica e eléctrica.

Consome menos electricidade que o silício •Aquece muito menos por efeito Joule• Suporta a radiação ionizante• É quase completamente transparente e tão denso que nem os átomos de hélio (que são menores) podem trespassa-lo.

Aplicações Analíticas



Células Fotovoltaicas: Novas tecnologias em desenvolvimentoCélulas fotovoltaicas e o Grafeno

o o o o

S SN

HCF3CF3

· Em aplicações mais práticas, o Grafeno está tentando substituir ITO em células solares orgânicas. Eléctrodos de malha de grafeno (Graphene mesh electrodes -GMEs), com boa condutividade e transparência foram fabricados por fotolitografia industrial padrão e processo de corrosão por plasma de O2, usando soluções de grafeno…

· Pesquisadores da Universidade da Flórida em Gainesville conseguiram fabricar células solares à base de grafeno, mais eficientes, adicionando um dopante orgânico à camada de grafeno nos dispositivos. A eficiência de conversão de energia das novas células solares atinge cerca de 9%, em comparação com pouco menos de 2% para as células que usam o grafeno não dopado.



Energia Solar: Módulos Fotovoltaicos…



Tipoc:Si, a-Si:H, CdTe, CIGS….

Potência nominal Max: Pmax (Wp)Corrente nominal: IMPP (A)Voltagem nominal: VMPP (V)Corrente e curto-circuito: ISC (A)Voltagem em circuito aberto: VOC (V)Configuração (V)Células por Módulo (#)Dimensões (cm x cm)Garantia (anos)

Especificações dos Módulos Fotovoltaicos

Energia Solar: Módulo Fotovoltaico…




Estrutura de um módulo:

Tedlar

EVA

Células solares

EVA

Vidro




EVA: acetato de etilvinila (EVA, do inglês Ethylene-vinyl acetate)


Esquema dos componentes de um módulo fotovoltaico com células de silício cristalino.

Vidro temperado de alta transparência

EVA

Células solaresEVA

Película posterior

Estrutura de alumínio




Em alguns casos o vidro é substituído por uma lâmina de material plástico transparente. O módulo tem uma moldura composta de alumínio ou poliuretano e caixas de ligações às quais chegam os terminais positivo e negativo da série de células. Nos terminais das caixas ligam os cabos que ligam o módulo ao painel fotovoltaico.


O módulo fotovoltaico é composto por células individuais ligadas em série. Este tipo de ligação permite adicionar tensões.

A tensão nominal do módulo é igual ao produto do número de células que o compõem pela tensão de cada célula (aprox. 0,42 a 0,6 volts). Geralmente produzem-se módulos formados por 30, 32, 33 e 36 células em série. Procura-se dar ao módulo rigidez na sua estrutura, isolamento eléctrico e resistência aos factores climáticos. Por isso, as células em série são encapsuladas num plástico elástico (Etilvinilacelato) que faz também o papel de isolante eléctrico, um vidro temperado com baixo conteúdo de ferro, na face voltada para o sol, e uma lamina plástica multi-camada (Poliéster) na face posterior.

Diversos tipos de Módulos Fotovoltaicos



- between two glass sheets

- sealing compound application

- hind side from non-transparent material

- laminate foil application

Energia Solar: Módulo Fotovoltaico…Diversos tipos de Módulos Fotovoltaicos



O Módulo fotovoltaico de silício contém muitas matérias-primas comoditizadas incluindo silício, vidro e alumínio. O desafio será o de reduzir os custos ou utilização desses materiais, melhorando a eficiência do módulo.


Adesivo

Incapsulante

Incapsulante

Liga laminada

Laminado traseiroCondutores: fitas adesivas, soldasCaixa de Junção

Gestão de cablagemChapas de identificação

Células fotovoltaicas

Diversos tipos de Módulos Fotovoltaicos



Energia Solar: Painel Fotovoltaico…

O painel solar fotovoltaico ou colector solar fotovoltaico ou módulo fotovoltaico é constituído por vários módulos ligados em paralelo e em série…

O Módulo ou painel fotovoltaico é usado para ligar painéis individuais ligados em série e combinações paralelas, á rede electrica através de um inversor de rede, que analisa, simula e trata a ligação de parques solares fotovoltaicos á rede eléctrica nacional.

O Módulo fotovoltaica (PV) é um dos elementos importantes de energia renovável, microrede, smartgrid, etc. Ele converte a energia da radiação solar em corrente contínua utilizando semicondutores e depois energia eléctrica de corrente alternada através inversores.



As especificações técnicas dos inversores fornecem informação muito importante para o dimensionamento e a instalação dos sistemas fotovoltaicos. A configuração do sistema FV determina o número, o nível de tensão e a classe de potência dos inversores.

Exemplo do esquema geral da instalação de um sistema FV.

Energia Solar: Módulo Fotovoltaico…Dimensionamento de Sistemas Fotovoltaicos

Atendendo a que os inversores são fabricados para vários níveis de potência e que a potência total do sistema fotovoltaico é determinada pela área útil disponível, é utilizado uma razão entre as potências do gerador fotovoltaico e do inversor de 1:1. Qualquer eventual desvio deverá ser considerado com base nesta razão, e é definido para o seguinte intervalo de potência.



Tipo-N

Tipo-P

Luz Solar

Fotões

Painel

Módulo

Célula

Parque Fotovoltaico

Corrente electrica

Junção PN

Energia Solar: Parque Fotovoltaico…

Copyright © 2008 Pearson Education, Inc., publishing as Pearson Benjamin Cummings



Energia Solar: células fotovoltaicas… Especificações dos Painéis Solares

· A Tensão máxima numa única célula PV, é de aprox. 0.4V (DC).

· A Corrente depende da intensidade da luz do Sol.

· Max. corrente por módulo é cerca de 2.5A

· Tensão média de um módulo é de 20V (DC).

Performance dos Painéis SolaresVários factores afectam a potência fornecida pelos

painéis PVs:· Sombra ou Nuvens.· Posição ou ângulo do painel.· Painéis activos podem acompanhar o sol.· Variações de temperatura e de irradiação solar.· Arejamento necessário para o refrigeração.· Sombreamento parcial irá reduzir o desempenho e

pode causar danos.



Módulo ou Painel Fotovoltaico

Energia Solar: Sistema fotovoltaico autónomo… 12V



Energia Solar: Sistema fotovoltaico autónomo…



Energia Solar: Microgeração…

Painéis solares

Inversor

Contador de vendaContador de compra

Rede eléctrica de distribuição



LAN 2

Local Automation

Solar Tracker

Inverters

MV an LV Swicthgears

DCS

Transformers

OPERATORWORKPLACE

Remote Office

Internet

Remote Access

LAN 1

eMail

Energia Solar: Parque solar fotovoltaico … Arquitectura de controlo



Energia Solar fotovoltaica Outras aplicações









Energia Solar: Fotovoltaica…Microgeração



Objectivos do produtor de energia fotovoltaica

· Equipar com as soluções mais avançadas tecnologicamente e mais eficientes as instalações industriais. · Dotar os edifícios com soluções

de produção de energia de forma a rentabilizar locais até hoje desaproveitados.

· Propor soluções que sejam capaz de ir em encontro à legislação (em vigor e futura) e aos interesses de cada cliente;

· Notabilizar o nome e a sua preocupação com o meio ambiente, assumindo juntamente com o país uma posição de vanguarda ambiental.

· Melhorar a eficiência energética das instalações.




Condições para um sistema com minigeração Fotovoltaica com tarifa bonificada

· Licenciamento atribuído a instalações para injectar em BT e MT.

· A legislação que enquadra a instalação de sistemas fotovoltaicos ligados à rede é o decreto-lei 312/2001, que regula a produção em regime especial.

· O licenciamento é obtido através de várias entidades, nomeadamente a DGEG, EDP, Câmaras.

· A tarifa média para projectos desta dimensão é 320 €/MWh durante 15 anos.

· A dimensão ao nível da potência dos sistemas de minigeração é entre 5kW e 500 kW.




Módulos Foto-voltaicos 53,53%

Estruturas de Suporte 16,29%

Cablagem Eléctrica 5,02%

Inversor 6,92%

Transportes 1,21%

Trabalhos de con-strução civil 11,85%

Sistema de Monitor-ização 0,45% Projecto de Detalhe

4,72%

Estrutura de custos do Investimento – (Universidade de Aveiro 200 kW).


· Devemos escolher a melhor relação preço-qualidade na escolha do equipamentos, em especial nos módulos.



Energia Solar: Fotovoltaica…Produção de Células fotovoltaicas



Portugal é um dos países da Europa, com maior disponibilidade...Horas de Sol anuais

Energia Solar: Fotovoltaica…

Médias Anuais

Energia solar fotovoltaica A Energia Solar Fotovoltaica é a energia obtida através da conversão directa da luz solar 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.

Em Portugal



Energia Solar: Fotovoltaica…Em Portugal

A potência fotovoltaica instalada em Portugal é, actualmente, de um pouco mais de 70 MW em instalações ligadas á rede e algumas microgerações.

·No sector doméstico (sistemas isolados da rede).·Nos serviços (sistemas SOS, emissores das redes de telemóvel, parquímetros e outros).· Tectos de instalações.

O país, devido às suas condições climáticas, possui excelentes condições para a conversão fotovoltaica com índices de produção entre os 1000 e os 1500 kWh por ano, por cada kW instalado.

Portugal é um país com escassos recursos energéticos próprios, nomeadamente, aqueles que asseguram a generalidade das necessidades energéticas (petróleo, carvão e gás natural).

Tal situação de escassez conduz a uma elevada dependência energética do exterior sendo totalmente dependente das importações de fontes primárias de origem fóssil.



Vantagens:A energia do Sol pode ser aproveitada recorrendo a painéis solares e é completamente limpa. O funcionamento dos equipamentos não tem emissões indesejáveis e é renovável, muito devido à natureza inesgotável da energia Solar.

Curiosidade:Uma das maiores e mais relevantes aplicações de painéis solares foto voltaicos foi nos satélites espaciais. Os painéis solares fornecem a energia necessária ao satélite, energia essa que é captada directamente do Sol.

Energia Solar: Fotovoltaica…Em Portugal



Sua instalação foi concluída no final de 2008 e conta com 62.080 módulos fotovoltaicos, produzindo 93 milhões de kWh e evitando a emissão de 89.383 toneladas anuais de CO2.

Energia Solar Fotovoltaica: Centrais em Portugal

Com 2.520 seguidores solares azimutais, equipados com 104 painéis solares cada um, numa área de 250 hectares, a central é uma das maiores do mundo, em potência total instalada e capacidade de produção, situada no concelho de Moura, no baixo Alentejo, com 11 MW de potência instalada até 46 MW e que começou a produzir energia em pleno no final de Março de 2007, produzindo o suficiente para abastecer 30 mil habitações, num investimento que rondou os 61,5 milhões de euros.

Central Solar Fotovoltaica de Amareleja



Energia Solar Fotovoltaica: Centrais em Portugal Centrais Fotovoltaicas na Madeira

Caniçal

Porto Santo

· 6 MW Central Fotovoltaica no Caniçal-Madeira

A funcionar desde 2011, com um investimento de 20 M€, produz electricidade o para abastecimento anual correspondente a 3.200 habitações… Instalação de 28.800 painéis fotovoltaicos abrangendo uma área de 100.000m2.

· 2 MW Central Fotovoltaica no Porto Santo A funcionar desde 2010, com um investimento de

9 M€, produz electricidade o para abastecimento na ordem de 3506 MW/H 50% do consumo… Instalação de 11.136 painéis fotovoltaicos abrangendo uma área de 60.000m2.



Energia Solar Fotovoltaica: Centrais em Portugal Edifício Solar XXI

A Fachada Sul do Edifício Solar XXI, inaugurado em 2006, no INETI, com uma potência pico de cerca de 12 kW, constituída por módulos de silício multicristalino, e a outra estrutura de sombreamento no parque de estacionamento do mesmo edifício, com uma potência pico de 6 kW, constituída por módulos de silício amorfo. O edifício Solar XXI, é um edifício energeticamente eficiente, onde se optimizaram a orientação e a iluminação natural e que integra ainda soluções técnicas de energia solar térmica activas e passivas.



Energia Solar Fotovoltaica: Centrais em Portugal Central Fotovoltaica de 6MW no MARL em Loures

A maior central Fotovoltaica do mundo em zona urbana, localizada nos terrenos e telhados do Mercado Abastecedor da Região de Lisboa, em Loures num investimento estimado de cerca de 24 milhões de euros, foi inaugurado em 2008.

A MARL ENERGIA produz mais de 6 MW de energia que injecta na rede da EDP. É suficiente para abastecer 3 mil habitações, sustentando as necessidades anuais de mais de 12 mil pessoas.



Constituição do sistema fotovoltaica:·Localização: Aveiro·Implantação: em telhado·Potência instalada: 200 kWp·Potência nominal: 180 kW·Injecção na rede: Rede em Baixa tensão

Energia Solar Fotovoltaica: Centrais em Portugal Central Fotovoltaica de 200 KW na Universidade de Aveiro

Inserido no programa "Eficiência Energética na Universidade de Aveiro“, inaugurado em 2009, envolveu um investimento de nove milhões de euros, dos quais 6,5 M€ foram financiados pelo Governo.



Nome Distrito Concelho Freguesia Potência[MW] Ano funcionamento

Valadas Santarém Ferreira do Zêzere Ferreira do Zêzere 0,4 -/2006

Corte de Pão e Água Beja Mértola lugar Corte de Pão e Água- 0,6 -6/2007

Serpa Beja Serpa Lugar Serpa 11 -/2007

Olva Beja Mértola Lugar Olva 2,2 -4/2008

Amareleja Beja Mora Amareleja 45.8 -12/2008

Interior Alentejano Beja Almodôvar Rosário- 2,2 -/2008

MARL Energia Lisboa Loures São Julião do Tojal 6 -8/2009

Monte da Vinha Beja Ferreira Alentejo Ferreira Alentejo 0,4 -/2009

Porto Santo- R.A. Madeira Porto Santo Porto Santo 2 - /2010

Caniçal R.A. Madeira Machico Caniçal 6,6 - /2010

Porteirinhos Beja Almodôvar Lugar Poço do Durão 6 12/2010

Palmela Setúbal Palmela Quinta do Anjo 1,6 -/2011

Malhada Velha 2 Beja Ferreira Alentejo Figueira dos Cavaleiros 9 -6/2012

Avalades Faro Silves Lugar Avalades 14 -9/2012

Ferreiras Faro Albufeira Ferreiras 6 -9/2012

Quinta do Louseiro Évora Évora São Manços 1,1 - 10/2012

Fonte: http://e2p.inegi.up.pt/index.asp Potência Instalada (2012) »………… 70 MW

Energia Solar Fotovoltaica: Centrais em Portugal…Ligadas á Rede

http://e2p.inegi.up.pt/index.asp



http://en.wikipedia.org/wiki/Cadmium_telluride_photovoltaics#mediaviewer/File:Best_Research-Cell_Efficiencies.png

Energia Solar Fotovoltaica: No Mundo Investigação e desenvolvimento (I&D)



Evolução Previsível do consumo de Energias até 2100Previsão do Conselho Consultivo do Governo Federal alemão

Utilização anual de energia primária

Outras energias renováveis

Energia Solar Térmica

Energia solar (fotovoltaica e solar térmica)

Eólica

Biomassa

Hidroeléctrica

Nuclear

Gás Natural

Carvão

Petróleo

Energias Solar: Fotovoltaica…Previsibilidade a longo prazo



Energia Solar Fotovoltaica: No Mundo Conclusões

· O Silício convencional lidera a corrida nas células solares, mas não nos vai levar até onde precisamos de ir…

· Várias tecnologias podem evoluir e assumir-se nos próximos 10 anos.· Nós ainda estamos na fase de descobrir novos materiais com propriedades

substancialmente melhores …· Acho que as células solares de multijunções serão finas, leves, e baratas, com

eficiências > 30% .. Num futuro que esperamos que seja breve…· Pois temos que resolver o problema de energia… assim não podemos continuar!· Qualquer tecnologia que tenha um potencial para reduzir as emissões de

carbono em > 10% precisa de ser explorada de forma agressiva.· Os pesquisadores não se devem sentir intimidados, pelas lutas de supremacia

existentes entre algumas empresas…· Alguém precisa de investir no escalonamento de tecnologias de células solares

de tecnologias promissoras.



Energia Solar: Térmica … outra alternativa



Dúvidas?



OBRIGADO PELA ATENÇÃO !...



Bibliografiashttp://www.energiasrenovaveis.com/AreaGeral.asp?ID_area=14&

http://www.profelectro.info/?p=1294

http://www.pveducation.org/

isbn=1447146492 Weather Modeling and Forecasting of PV Systems Operation – Marius Paulescu, Eugenia Paulescu

Clemson Summer School 2007 - Dr. Karl Molter / FH Trier / [email protected]

www.coe.montana.edu - /ee/tjkaiser/ee580/Notes/

http://www.isetinc.com/wp-content/uploads/2012/03/tech_white_paper4.pdf

http://sibgece.ica.ele.puc-rio.br/pages/getfile/cursos/Jacqueline.Alves_PUC-Rio.pdf.

Perovskite Solar Cells: Wenchun Feng- Garfunkel Group - Department of Chemistry and Chemical Biology- Rutgers University 3/7/2014

http://actu.epfl.ch/news/dye-sensitized-solar-cells-rival-conventional-cell/

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Montana State University: Solar Cells Lecture 5: P-N Junction

http://www.asrc.cestm.albany.edu/perez/2011/solval.pdf.

https://www.bnl.gov/education/static/VFP/colloquium/xu_colloquium2015.pdf.

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https://en.wikipedia.org/wiki/Perovskite_solar_cell

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