Novo recorde de célula solar

Publicado em: 10 de agosto de 2020 / Atualizado em: 17 de agosto de 2020 – Autor: Konrad Wolfenstein

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Maior eficiência em conjunto – novo recorde para células solares

A pesquisa fotovoltaica trabalha diligentemente para aumentar continuamente a eficiência das células solares. A tecnologia fotovoltaica em tandem está ganhando cada vez mais destaque, combinando materiais de alto desempenho de diversas maneiras para utilizar o espectro solar de forma ainda mais eficiente na conversão de luz em energia elétrica. O Fraunhofer ISE acaba de registrar um novo recorde de eficiência de 25,9% para uma célula solar em tandem III-V/Si cultivada diretamente sobre silício. Esta foi a primeira célula produzida em um substrato de silício de baixo custo – um marco importante no caminho para soluções economicamente viáveis ​​para a tecnologia fotovoltaica em tandem.

Diversas células solares tandem III-V em um substrato de silício com 10 cm de diâmetro – © Fraunhofer ISE – Foto: Markus Feifel

O Instituto Fraunhofer de Sistemas de Energia Solar (ISE) trabalha há muitos anos em células solares de múltiplas junções, nas quais duas ou três subcélulas são empilhadas umas sobre as outras para converter diferentes comprimentos de onda da luz solar em eletricidade. O silício é adequado como absorvedor para a porção infravermelha do espectro, e finas camadas de semicondutores III-V, com apenas alguns micrômetros de espessura, são aplicadas sobre ele. Esses materiais pertencem aos grupos III e V da tabela periódica e convertem luz ultravioleta, visível e infravermelha próxima em eletricidade com maior eficiência. Células solares de semicondutores III-V puros já são utilizadas no espaço e em sistemas fotovoltaicos de concentração. Processos mais econômicos, combinados com o silício como subcélula inferior, visam tornar essa tecnologia tandem acessível para a ampla aplicação em sistemas fotovoltaicos no futuro. No entanto, ainda há um longo caminho a percorrer.

25,9% para células solares tandem III-V/Si cultivadas diretamente em silício

Existem diferentes abordagens para a fabricação de combinações de células solares de semicondutores III-V e silício. Desde 2019, o Fraunhofer ISE detém o recorde mundial de eficiência de 34,1% (atualmente 34,5%) para uma célula solar tandem na qual as camadas semicondutoras III-V são transferidas de um substrato de arseneto de gálio para o silício, com as camadas sendo unidas por meio de uma ligação de wafers. Essa tecnologia é eficiente, mas cara. Portanto, o Fraunhofer ISE vem trabalhando há muitos anos em processos de fabricação mais diretos, nos quais as camadas III-V são depositadas ou ligadas epitaxialmente a uma célula solar de silício. Manter a alta qualidade cristalina em todas as camadas é crucial nesse processo – um grande desafio. Um novo recorde mundial de eficiência de 25,9% foi alcançado para uma célula solar tandem III-V/Si cultivada diretamente sobre silício. O cientista Markus Feifel, do Fraunhofer ISE, apresentou recentemente seu sucesso na 47ª Conferência de Especialistas em Fotovoltaica do IEEE, que, como muitas conferências atualmente, está sendo realizada online, e foi homenageado com o Prêmio Estudantil na categoria de Células Solares Híbridas em Tandem. "A complexa estrutura interna da célula não é visível externamente, pois todos os absorvedores são interconectados e eletricamente ligados por camadas de cristal adicionais", explica o jovem pesquisador de células solares, que conseguiu, assim, melhorar a eficiência de seu trabalho de 24,3% para 25,9% em menos de um ano. "Esse sucesso foi alcançado substituindo uma única camada fina dentro da célula multicelular", continua ele. "Uma análise cuidadosa de nossas células revelou que essa camada estava atuando como uma barreira à condução elétrica."

Desde 2007, pesquisadores do Fraunhofer, em conjunto com a Universidade Técnica de Ilmenau, a Universidade Philipps de Marburg e a empresa Aixtron, vêm desenvolvendo gradualmente a tecnologia, construindo sistemas de epitaxia especializados e examinando cada camada individual da estrutura. Esses desenvolvimentos foram financiados pelo Ministério Federal Alemão da Educação e Pesquisa (BMBF) no âmbito dos projetos "III-V-Si" e "MehrSi". Um destaque particular da nova célula solar tandem é que as camadas III-V não foram cultivadas em um substrato polido química e mecanicamente, como era a norma anteriormente, mas sim em uma lâmina de silício. Após o cristal ser serrado, a lâmina foi tratada utilizando um processo simples e econômico de retificação e corrosão. A empresa dinamarquesa Topsil desenvolveu essas lâminas de silício no âmbito do projeto europeu "SiTaSol", dando assim um passo importante rumo à produção econômica das novas células solares de múltiplas junções. No futuro, o foco será aumentar ainda mais a eficiência e tornar a deposição das camadas ainda mais rápida, com maior rendimento e, portanto, mais rentável, com o objetivo de que a energia fotovoltaica em tandem possa dar uma importante contribuição para a expansão da energia fotovoltaica necessária para a transição energética.

Tecnologia-chave para a transição energética

A eletricidade gerada por células solares é atualmente a forma mais rentável de geração de energia em muitas partes do mundo. "A pesquisa fotovoltaica europeia está trabalhando em diversos conceitos para aprimorar ainda mais a eficiência dessa tecnologia fundamental para a transição energética", afirma o Prof. Dr. Stefan Glunz, Chefe de Pesquisa em Fotovoltaica. "Não estamos apenas trabalhando para tornar a produção de células solares de silício ainda mais sustentável e rentável, mas também explorando novas vias para alcançar eficiências ainda maiores com o silício, já consagrado, em combinação com outros materiais semicondutores. Estamos conseguindo isso com a fotovoltaica em tandem." A fotovoltaica em tandem não apenas abre caminho para o futuro da geração de eletricidade, como essas células solares também são ideais – devido à sua voltagem mais alta – para a eletrólise, a separação direta da água em hidrogênio e oxigênio. Essa tecnologia, portanto, também contribui para a produção de hidrogênio como meio de armazenamento de energia e um importante componente para a transição energética.

Estrutura em camadas da célula solar de múltiplas junções III-V/Si – © Fraunhofer ISE

Estrutura em camadas da célula solar de múltiplas junções III-V/Si, eficiência quântica e característica IV sob condições espectrais AM 1.5g.

Maior eficiência em conjunto – novo recorde para células solares

A pesquisa em energia fotovoltaica está empenhada em aumentar continuamente a eficiência das células solares. Cada vez mais, o foco está nas células fotovoltaicas em tandem, nas quais materiais de alto desempenho são combinados de diversas maneiras para utilizar o espectro solar de forma ainda mais eficiente na conversão de luz em energia elétrica. O Fraunhofer ISE acaba de anunciar um novo recorde de eficiência de 25,9% para uma célula solar em tandem III-V/Si cultivada diretamente sobre silício. Pela primeira vez, essa célula foi produzida em um substrato de silício de baixo custo – um marco importante rumo a soluções econômicas para a energia fotovoltaica em tandem.

Diversas células solares tandem III-V em um substrato de silício com 10 cm de diâmetro – © Fraunhofer ISE – Foto: Markus Feifel

O Instituto Fraunhofer de Sistemas de Energia Solar (ISE) trabalha há muitos anos em células solares de múltiplas junções, nas quais duas ou três células parciais são dispostas uma sobre a outra para converter diferentes comprimentos de onda da luz solar em eletricidade. O silício é adequado como absorvedor para a parte infravermelha do espectro, e camadas de semicondutores III-V, materiais dos grupos III e V da tabela periódica, que convertem a luz ultravioleta, visível e infravermelha próxima em eletricidade de forma mais eficiente, são depositadas sobre ele. Células solares de semicondutores III-V puros já são utilizadas no espaço e em sistemas fotovoltaicos de concentração. Através de processos mais econômicos, em combinação com o silício como a subcélula mais baixa, a tecnologia tandem deverá se tornar acessível para a produção em larga escala de células fotovoltaicas no futuro. No entanto, ainda há um longo caminho a percorrer até lá.

25,9% para células solares tandem III-V/Si cultivadas diretamente sobre silício.

Existem diferentes abordagens para produzir combinações de células solares de semicondutores III-V e silício. Por exemplo, desde 2019, o Fraunhofer ISE detém o recorde mundial de eficiência de 34,1% (atualmente 34,5%) para uma célula solar tandem na qual as camadas semicondutoras III-V são transferidas de um substrato de arseneto de gálio para o silício, com as camadas conectadas por uma chamada ligação de wafer. Essa tecnologia é eficiente, mas cara. Por esse motivo, o Fraunhofer ISE trabalha há muitos anos em processos de fabricação mais diretos, nos quais as camadas III-V são depositadas ou epitaxializadas sobre uma célula solar de silício. Nesse processo, é crucial manter a alta qualidade cristalina de todas as camadas – um grande desafio. Um novo recorde mundial de eficiência de 25,9% foi alcançado para uma célula solar tandem III-V/Si cultivada diretamente sobre silício. O cientista Markus Feifel, do Fraunhofer ISE, apresentou recentemente seu trabalho de sucesso na 47ª Conferência de Especialistas em Fotovoltaica do IEEE, que, como muitas conferências atualmente, está sendo realizada online, e foi homenageado com o Prêmio Estudantil na categoria Células Solares Híbridas em Tandem. “Do lado de fora, a complexa estrutura interna da célula não é visível, já que todos os absorvedores são conectados entre si por camadas de cristal adicionais e interligados eletricamente”, explica o jovem pesquisador de células solares, que conseguiu, assim, melhorar o resultado de seu trabalho de 24,3% para 25,9% em menos de um ano. “Esse sucesso foi alcançado substituindo uma única camada fina dentro da célula múltipla”, continua ele. “Uma análise cuidadosa de nossas células revelou que essa camada criava uma barreira para a linha de transmissão de energia.”

Em pequenos passos, os pesquisadores do Fraunhofer vêm aprimorando a tecnologia desde 2007 em colaboração com a Universidade Técnica de Ilmenau, a Universidade Philipps de Marburg e a empresa Aixtron, instalando equipamentos especiais de epitaxia e examinando cada camada da estrutura. Esses desenvolvimentos foram financiados pelo Ministério Federal Alemão da Educação e Pesquisa (BMBF) como parte dos projetos “III-V-Si” e “MehrSi”. Um destaque particular da nova célula solar tandem é que as camadas III-V não foram cultivadas em um substrato polido químico-mecanicamente, como era o caso anteriormente, mas em uma lâmina de silício que, após o corte do cristal, foi tratada em um processo simples usando apenas técnicas de retificação e corrosão de baixo custo. No âmbito do projeto europeu “SiTaSol”, a empresa dinamarquesa Topsil desenvolveu essas lâminas de silício, dando assim um passo importante rumo à produção econômica das novas células solares de múltiplas junções. No futuro, o objetivo será aumentar ainda mais a eficiência e também realizar a deposição das camadas ainda mais rapidamente, com maior rendimento e, portanto, de forma mais rentável, com o objetivo de que a energia fotovoltaica em tandem possa dar uma importante contribuição para a expansão da energia fotovoltaica necessária para a transição energética.

Tecnologia-chave para a transformação do sistema energético

Em muitas partes do mundo hoje, a eletricidade gerada por células solares é a forma mais barata de geração de energia. “A pesquisa fotovoltaica europeia está trabalhando em inúmeros conceitos para desenvolver ainda mais a eficiência dessa tecnologia fundamental para a transição energética”, afirma o Prof. Dr. Stefan Glunz, chefe da Divisão de Pesquisa Fotovoltaica. “Não estamos apenas trabalhando para tornar a produção de células solares de silício ainda mais sustentável e econômica, mas também estamos abrindo novos caminhos para levar o silício, já consagrado, em combinação com outros materiais semicondutores, a níveis de eficiência ainda maiores. Estamos conseguindo isso com a tecnologia fotovoltaica em tandem. A tecnologia fotovoltaica em tandem não apenas abre caminho para o futuro da geração de energia, como essas células solares – devido à sua voltagem mais alta – também são ideais para a eletrólise, a decomposição direta da água em hidrogênio e oxigênio. Essa tecnologia, portanto, também contribui para a produção de hidrogênio como meio de armazenamento de energia e um importante componente para a transição energética.”

Estrutura em camadas da célula solar de múltiplas junções III-V/Si – © Fraunhofer ISE

Estrutura em camadas de células solares de múltiplas junções III-V/Si, eficiência quântica e características IV sob condições espectrais AM 1.5g.