Células solares: Quais módulos solares oferecem atualmente a melhor tecnologia e o maior desempenho?

O desenvolvimento tecnológico em células solares continua a progredir rapidamente. O que era inovador e de ponta ontem, muitas vezes já está obsoleto amanhã. Os avanços tecnológicos tornam os sistemas cada vez mais robustos e eficientes, levando a uma crescente demanda por eletricidade fotovoltaica. Essa demanda provavelmente será ainda mais impulsionada pela Lei de Proteção Climática e pela meta da Alemanha de alcançar a neutralidade climática até 2045, razão pela qual se espera um aumento significativo na energia renovável nos próximos anos.

A eficiência da tecnologia fotovoltaica depende crucialmente dos diferentes tipos de módulos solares utilizados. Na Alemanha, quatro tipos de módulos em particular dominam o uso em sistemas fotovoltaicos. Apresentamos suas vantagens e desvantagens, bem como suas perspectivas futuras.

Módulos solares: Quais são os tipos existentes?

Os diferentes tipos de módulos fotovoltaicos caracterizam-se por diferenças, por vezes significativas, no seu design técnico. Isto resulta em desempenhos, vidas úteis e custos bastante variáveis. Analisaremos cada um deles com mais detalhe abaixo:

• Módulos de vidro duplo / vidro-vidro
• Módulos policristalinos
• Módulos monocristalinos
• Módulos de película fina
• Módulos CIS/CIGS

No módulo de vidro com tecnologia de células bifaciais, a luz é captada tanto na parte frontal quanto na parte traseira do módulo. O aumento da quantidade de luz captada aumenta a eficiência do módulo.

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Os módulos fotovoltaicos policristalinos, assim como os monocristalinos, são feitos de silício. Após o silício ser derretido, ele é vertido em moldes retangulares alongados e resfriado lentamente. As estruturas cristalinas resultantes são então separadas em etapas de produção subsequentes e cortadas em wafers, que formam as células solares policristalinas. Visualmente, elas se distinguem por sua marcante cor azul.

Este processo tem a vantagem de ser relativamente barato, razão pela qual os módulos fotovoltaicos policristalinos estiveram entre as células solares mais utilizadas durante muito tempo. A tecnologia já foi comprovada em funcionamento ao longo de muitos anos e, portanto, é extremamente confiável. Além da baixa suscetibilidade a defeitos, a longa vida útil é outra vantagem deste sistema. No entanto, o processo de fabricação tem a desvantagem de criar imperfeições nas interfaces entre os cristais individuais. Isso resulta em uma eficiência dessas células solares apenas mediana, entre 12 e 16%. Consequentemente, o espaço necessário aumenta e a eficiência diminui.

Outras duas desvantagens que os módulos policristalinos e monocristalinos têm em comum são o seu peso relativamente elevado e as perdas de desempenho em condições de luz difusa e altas temperaturas.

Os módulos monocristalinos também são feitos de silício. Ao contrário dos módulos policristalinos, o silício é fundido uma segunda vez, resultando em cristais únicos colunares (daí o termo "mono"). Eles não sofrem as perdas por atrito observadas nos módulos policristalinos. Isso leva a uma eficiência até 20% maior nessas células solares de cor azul-escura a preta com brilho intenso.

Além da baixa suscetibilidade a falhas e do design comprovado ao longo de décadas, os módulos monocristalinos caracterizam-se pelo tamanho reduzido. No entanto, a fabricação desses módulos é comparativamente cara. Além disso, são relativamente pesados ​​e apresentam eficiência reduzida em condições de baixa luminosidade e altas temperaturas.

Em resumo, ambos os tipos de módulos cristalinos oferecem desempenho eficaz. No entanto, são relativamente pesados, sendo os módulos solares monocristalinos a melhor opção para espaços confinados devido à sua maior eficiência. Essa maior eficiência levou à sua ampla adoção em detrimento das células solares policristalinas, apesar do preço mais elevado.

No entanto, o fato de os módulos policristalinos serem até um terço mais baratos (por kWp) garante que continuem sendo muito populares, especialmente para sistemas fotovoltaicos maiores, sem restrições de espaço.

Como o próprio nome sugere, os módulos de película fina caracterizam-se pela sua espessura extremamente reduzida. Tradicionalmente, os módulos de película fina são fabricados utilizando semicondutores de silício amorfo. Neste sistema, um substrato, geralmente de vidro, é revestido com uma fina camada. Este método de construção resulta em células solares de película fina aproximadamente 100 vezes mais finas do que dois módulos solares feitos de wafers de silício.

Em microeletrônica, células fotovoltaicas e tecnologia de microssistemas, os wafers são discos circulares ou quadrados com aproximadamente um milímetro de espessura. São fabricados a partir de blocos monocristalinos ou policristalinos (semicondutores), conhecidos como lingotes, e normalmente servem como substratos (placas de base) para componentes eletrônicos, incluindo circuitos integrados (CIs, "chips"), componentes micromecânicos e revestimentos fotoelétricos. Na produção de componentes microeletrônicos, vários wafers são geralmente combinados em um lote e processados ​​sequencialmente ou em paralelo.

Essa é também uma das maiores vantagens dos módulos de película fina, já que seu baixo peso os torna muito flexíveis e versáteis. Portanto, esses módulos não são mais usados ​​apenas em grandes sistemas fotovoltaicos, mas também para geração de energia em relógios e outros pequenos dispositivos eletrônicos. Além disso, os módulos de película fina são fáceis de fabricar e baratos de produzir devido à baixa necessidade de matéria-prima, o que impulsionou ainda mais seu uso generalizado. Ademais, sua curva de desempenho não se estabiliza tanto em condições de iluminação desfavoráveis ​​quanto a dos dois módulos cristalinos mencionados anteriormente.

No entanto, esses módulos estreitos apresentam a desvantagem de uma eficiência significativamente menor do que outras células solares. Essa eficiência pode chegar a apenas 7%, o que significa que seu uso em sistemas fotovoltaicos exige uma quantidade considerável de espaço. Para alcançar maior eficiência, os fabricantes passaram a produzir módulos de película fina com telureto de cádmio (CdTe). Esse princípio de design oferece a vantagem de uma eficiência ligeiramente superior, de até 8%. É particularmente adequado para uso em áreas com altos níveis de neblina e nevoeiro, bem como em luz difusa. Contudo, os usuários devem aceitar preços mais altos e custos adicionais devido à reciclagem mais cara do cádmio contido nos módulos durante o descarte. Apesar do aumento de custos, o uso desse design de módulo mais eficiente está em ascensão.

Além disso, muitas empresas estão atualmente pesquisando módulos de película fina fabricados com sulfeto de cobre-zinco-estanho e enxofre (CZTS). Esse material semicondutor tem a vantagem, em relação às células solares de película fina convencionais, de que sua construção não requer o uso de elementos raros e tóxicos. No entanto, provavelmente levará algum tempo até que essa tecnologia esteja pronta para a produção em massa.

Esses módulos são um tipo especial de célula solar de película fina e atualmente o segundo modelo mais comum nessa área, depois da variante de CdTe. São baseados nos compostos de disseleneto de cobre e índio (CIS) ou disseleneto de cobre e índio e gálio (CIGS) e conduzem eletricidade significativamente melhor do que os módulos de película fina à base de silício. Sua eficiência varia entre 12 e 15%, o que equivale à maior eficiência entre as células solares de película fina. Além disso, sofrem perdas mínimas em luz difusa e altas temperaturas, sendo também leves e resistentes a defeitos.

Essas vantagens são contrabalançadas pelo alto custo de fabricação e pela complexa reciclagem do selênio contido nos módulos. Além disso, devido ao desenvolvimento relativamente recente desses módulos, há uma carência de dados de longo prazo sobre a durabilidade do sistema. Contudo, é principalmente o alto preço que tem estagnado a produção dessas células solares há anos.

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