BSC – Células Solares Bifaciais: História da célula solar bifacial ou de duas superfícies

A primeira célula solar de silício foi patenteada em 1946 por Russell Ohl, enquanto trabalhava nos Laboratórios Bell, e demonstrada publicamente em 1954 por Fuller, Chapin e Pearson na mesma instituição de pesquisa; no entanto, essas primeiras propostas eram células monofaciais, cuja parte traseira não se destinava a ser ativa.

A primeira célula solar bifacial teoricamente proposta pode ser encontrada em uma patente japonesa datada de 4 de outubro de 1960, de autoria de Hiroshi Mori, que trabalhava para a Hayakawa Denki Kogyo Kabushiki Kaisha (Hayakawa Electric Industry Co. Ltd.), empresa que posteriormente se tornou a Sharp Corporation. A célula proposta era uma estrutura bifacial pnp com eletrodos de contato em duas bordas opostas.

As primeiras demonstrações de células e painéis solares bifaciais, no entanto, foram realizadas como parte do programa espacial soviético nas estações espaciais militares em órbita baixa da Terra (LEO) Salyut 3 (1974) e Salyut 5 (1976). Essas células solares bifaciais foram desenvolvidas e fabricadas por Bordina et al. no VNIIT (Instituto de Pesquisa Científica de Fontes de Energia de Toda a União) em Moscou, que se tornou a fabricante russa de células solares KVANT em 1975. Em 1974, essa equipe registrou uma patente nos EUA propondo células na forma de mini-tubos paralelos com tamanho máximo de 1 mm x 1 mm x 1 mm, conectados em série para atingir uma densidade de 100 células/cm². Assim como nas células solares bifaciais atuais, eles propuseram o uso de compostos pp+ isotípicos próximos a uma das superfícies receptoras de luz. Na missão Salyut 3, pequenos painéis experimentais com uma área total de célula de 24 cm² mostraram um aumento na produção de energia por órbita do satélite de até 34% em comparação com os painéis monofaciais usados ​​na época, devido ao albedo da Terra. Durante o voo da estação espacial Salyut 5, observou-se um ganho de 17–45% com o uso de painéis bifaciais (0,48 m² – 40 W).

Paralelamente a essa pesquisa russa, do outro lado da Cortina de Ferro, o laboratório de semicondutores da Escola de Engenharia de Telecomunicações da Universidade Politécnica de Madrid, sob a direção do Professor Antonio Luque, conduzia de forma independente um abrangente programa de pesquisa para desenvolver células solares bifaciais aplicáveis ​​industrialmente. Enquanto a patente de Mori e os protótipos da espaçonave VNIIT-KVANT eram baseados em minúsculas células sem grade metálica em sua superfície e, portanto, complexamente interconectadas, mais no estilo dos dispositivos microeletrônicos da época, Luque registraria duas patentes espanholas em 1976 e 1977 e uma nos Estados Unidos em 1977, que foram precursoras das modernas células bifaciais. As patentes de Luque foram as primeiras a propor células solares bifaciais com uma célula por wafer de silício, como era o caso das células monofaciais na época e ainda é hoje, com grades metálicas em ambas as superfícies. Elas consideravam tanto estruturas npp+ quanto pnp.

O desenvolvimento de células solares de superfície traseira (BSCs) no laboratório de semicondutores foi abordado de forma tripla, resultando em três teses de doutorado de Andrés Cuevas (1980), Javier Eguren (1981) e Jesús Sangrador (1982). As duas primeiras foram supervisionadas por Luque, e a terceira pelo Dr. Gabriel Sala, do mesmo grupo. A tese de Cuevas envolveu a construção da primeira patente de Luque, de 1976, que, devido à sua estrutura npn semelhante a um transistor, foi chamada de "transcélula". A tese de Eguren focou na demonstração da segunda patente de Luque, de 1977, que apresentava um perfil de dopagem npp+ onde a junção isotópica pp+ está localizada adjacente à superfície traseira da célula, criando o que é comumente referido como "campo de superfície traseira" (BSF) na tecnologia de células solares. Este trabalho levou a diversas publicações e patentes adicionais. Em particular, o efeito benéfico da redução da dopagem tipo p na base foi significativo, uma vez que a redução da tensão na junção do emissor (junção pn frontal) foi compensada por um aumento da tensão na junção isotípica traseira, permitindo simultaneamente um maior comprimento de difusão dos portadores minoritários, o que aumenta a corrente de saída sob iluminação bifacial. Na dissertação de Sangrador e na terceira abordagem de desenvolvimento na Universidade Politécnica de Madrid, foi proposta a chamada célula solar multijunção vertical com iluminação lateral, na qual células p+nn+ são empilhadas e conectadas em série e iluminadas pelas suas bordas. Estas são células de alta tensão que não requerem uma grade metálica superficial para a geração de corrente.

Em 1979, o laboratório de semicondutores foi transformado no Instituto de Energia Solar (IES-UPM), que, sob a direção de Luque, continuou a pesquisa intensiva em células solares bifaciais na primeira década do século XXI. Por exemplo, em 1994, dois doutorandos brasileiros do Instituto de Energia Solar, Adriano Moehlecke e Izete Zanesco, juntamente com Luque, desenvolveram e produziram uma célula solar bifacial que atingiu 18,1% de eficiência na face frontal e 19,1% na face posterior; um recorde para células bifaciais de 103% (na época, o recorde de eficiência para células monofaciais era de pouco menos de 22%).

 

 

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