Célula solar

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Antecedentes

As células solares fotovoltaicas são discos finos de silício que convertem a luz solar em eletricidade. Esses discos atuam como fontes de energia para uma ampla variedade de usos, incluindo:calculadoras e outros pequenos dispositivos; telecomunicações; painéis de telhado em casas individuais; e para iluminação, bombeamento e refrigeração médica para aldeias em países em desenvolvimento. As células solares na forma de grandes matrizes são usadas para alimentar satélites e, em casos raros, fornecer eletricidade para usinas de energia.

Quando a pesquisa em eletricidade começou e baterias simples estavam sendo feitas e estudadas, a pesquisa em eletricidade solar seguiu com uma rapidez surpreendente. Já em 1839, Antoine-Cesar Becquerel expôs uma bateria química ao sol para vê-lo produzir voltagem. Esta primeira conversão de luz solar em eletricidade foi um por cento eficiente. Ou seja, um por cento da luz solar que entra foi convertido em eletricidade. Willoughby Smith em 1873 descobriu que o selênio era sensível à luz; em 1877, Adams e Day notaram que o selênio, quando exposto à luz, produzia uma corrente elétrica. Charles Fritts, na década de 1880, também usou selênio revestido de ouro para fazer a primeira célula solar, novamente apenas 1% eficiente. No entanto, Fritts considerou suas células revolucionárias. Ele imaginou que a energia solar gratuita seria um meio de descentralização, prevendo que as células solares substituiriam as usinas de energia por residências alimentadas individualmente.

Com a explicação de Albert Einstein em 1905 sobre o efeito fotoelétrico - o metal absorve energia da luz e reterá essa energia até que muita luz o atinja - a esperança aumentou novamente de que a eletricidade solar com eficiências mais altas se tornasse viável. Pouco progresso foi feito, no entanto, até que a pesquisa em diodos e transistores rendeu o conhecimento necessário para os cientistas da Bell Gordon Pearson, Darryl Chapin e Cal Fuller produzirem uma célula solar de silício com 4% de eficiência em 1954.

Trabalhos posteriores aumentaram a eficiência da célula para 15 por cento. As células solares foram usadas pela primeira vez na cidade rural e isolada de Americus, Geórgia, como fonte de energia para um sistema de retransmissão de telefone, onde foi usado com sucesso por muitos anos.

Um tipo de célula solar para atender totalmente às necessidades de energia doméstica ainda não foi desenvolvido, mas as células solares tornaram-se bem-sucedidas no fornecimento de energia para satélites artificiais. Os sistemas de combustível e as baterias normais eram muito pesados ​​em um programa em que cada grama era importante. As células solares fornecem mais energia por grama de peso do que todas as outras fontes de energia convencionais e são econômicas.

Apenas alguns sistemas de energia fotovoltaica de grande escala foram instalados. A maioria dos esforços tende a fornecer tecnologia de células solares a lugares remotos que não possuem outros meios de energia sofisticados. Cerca de 50 megawatts são instalados a cada ano, mas as células solares fornecem apenas cerca de. 1 por cento de toda a eletricidade que está sendo produzida. Os defensores da energia solar afirmam que a quantidade de radiação solar que atinge a superfície da Terra a cada ano poderia facilmente suprir todas as nossas necessidades de energia várias vezes, mas as células solares têm um longo caminho a percorrer antes de cumprir o sonho de Charles Fritts de eletricidade solar gratuita e totalmente acessível .

Matérias-primas

O componente básico de uma célula solar é o silício puro, que não é puro em seu estado natural. Para fazer células solares, as matérias-primas - dióxido de silício de cascalho de quartzito ou quartzo triturado - são colocadas primeiro em um forno elétrico a arco, onde um arco de carbono é aplicado para liberar o oxigênio. Os produtos são dióxido de carbono e silício fundido. Neste ponto, o silício ainda não é puro o suficiente para ser usado para células solor e requer purificação adicional. O silício puro é derivado de dióxidos de silício como cascalho de quartzito (a sílica mais pura) ou quartzo triturado. O silício puro resultante é então dopado (tratado com) com fósforo e boro para produzir um excesso de elétrons e uma deficiência de elétrons, respectivamente, para fazer um semicondutor capaz de conduzir eletricidade. Os discos de silício são brilhantes e requerem um revestimento anti-reflexo, geralmente dióxido de titânio.

O módulo solar consiste em um semicondutor de silício envolvido por um material protetor em uma estrutura de metal. O material de proteção consiste em um encapsulante de borracha de silicone transparente ou plástico butiril (comumente usado em pára-brisas de automóveis) ligado ao redor das células, que são então embebidas em etileno acetato de vinila. Um filme de poliéster (como mylar ou tedlar) constitui o suporte. Uma tampa de vidro é encontrada em matrizes terrestres, uma tampa de plástico leve em matrizes de satélite. As peças eletrônicas são padrão e consistem principalmente em cobre. A estrutura é de aço ou alumínio. O silício é usado como cimento para juntar tudo.

O processo de fabricação

Purificando o silício

• 1 O dióxido de silício do cascalho de quartzito ou do quartzo triturado é colocado em um forno elétrico a arco. Um arco de carbono é então aplicado para liberar o oxigênio. Os produtos são dióxido de carbono e silício fundido. Este processo simples produz silício com um por cento de impureza, útil em muitas indústrias, mas não na indústria de células solares.
• 2 O silício 99% puro é purificado ainda mais usando a técnica da zona flutuante. Uma barra de silício impuro é passada por uma zona aquecida várias vezes na mesma direção. Este procedimento "arrasta" as impurezas para uma extremidade a cada passagem. Em um ponto específico, o silício é considerado puro e a extremidade impura é removida.

Fabricação de silício de cristal único

• 3 As células solares são feitas de boules de silício, estruturas policristalinas que possuem a estrutura atômica de um único cristal. O processo mais comumente usado para criar o boule é chamado de método Czochralski. Neste processo, um cristal semente de silício é mergulhado em silício policristalino derretido. Conforme o cristal semente é retirado e girado, um lingote cilíndrico ou "boule" de silício é formado. O lingote retirado é excepcionalmente puro, porque as impurezas tendem a permanecer no líquido.

Fabricação de wafers de silício

• 4 A partir do boule, os wafers de silício são cortados um de cada vez usando uma serra circular cujo diâmetro interno corta a haste, ou muitos de uma vez com uma serra multifios. (Uma serra de diamante produz cortes que são tão largos quanto o wafer - 5 milímetros de espessura.) Apenas cerca de metade do silício é perdido do boule para o wafer circular acabado - mais se o wafer for cortado para ser retangular ou hexagonal. Bolachas retangulares ou hexagonais às vezes são usadas em células solares porque podem ser encaixadas perfeitamente, utilizando assim todo o espaço disponível na superfície frontal da célula solar. Após a purificação inicial, o silício é posteriormente refinado em um processo de zona flutuante. Nesse processo, uma haste de silício é passada várias vezes por uma zona aquecida, que serve para "arrastar" as impurezas em direção a uma extremidade da haste. A extremidade impura pode então ser removida.
  Em seguida, um cristal de semente de silício é colocado em um aparelho de crescimento de Czochralski, onde é mergulhado em silício policristalino derretido. O cristal de semente gira conforme é retirado, formando um lingote cilíndrico de silício muito puro. As bolachas são então cortadas do lingote.
• 5 As bolachas são então polidas para remover marcas de serra. (Foi descoberto recentemente que células mais ásperas absorvem a luz com mais eficácia, portanto, alguns fabricantes optaram por não polir o wafer.)

Doping

• 6 A maneira tradicional de dopar (adicionar impurezas a) bolachas de silício com boro e fósforo é introduzir uma pequena quantidade de boro durante o processo de Czochralski na etapa 3 acima. As bolachas são então seladas costas com costas e colocadas em um forno para serem aquecidas ligeiramente abaixo do ponto de fusão do silício (2.570 graus Fahrenheit ou 1.410 graus Celsius) na presença de gás fósforo. Os átomos de fósforo "enterram-se" no silício, que é mais poroso porque está perto de se tornar um líquido. A temperatura e o tempo atribuídos ao processo são cuidadosamente controlados para garantir uma junção uniforme de profundidade adequada.
  Uma forma mais recente de dopar silício com fósforo é usar um pequeno acelerador de partículas para lançar íons de fósforo no lingote. Ao controlar a velocidade dos íons, é possível controlar sua profundidade de penetração. Este novo processo, entretanto, geralmente não foi aceito pelos fabricantes comerciais.
  

Colocação de contatos elétricos

• 7 Contatos elétricos conectam cada célula solar a outra e ao receptor de corrente produzida. Os contatos devem ser muito finos (pelo menos na frente) para não bloquear a luz do sol para a célula. Metais como paládio / prata, níquel ou cobre são evaporados a vácuo Esta ilustração mostra a composição de uma célula solar típica. As células são encapsuladas em acetato de vinil etileno e colocadas em uma estrutura de metal que possui uma folha traseira de mylar e cobertura de vidro. através de um fotorresiste, serigrafado ou simplesmente depositado na porção exposta das células que foram parcialmente cobertas com cera. Todos os três métodos envolvem um sistema no qual a parte da célula na qual um contato não é desejado é protegida, enquanto o resto da célula é exposta ao metal.
• 8 Depois que os contatos estão no lugar, tiras finas ("dedos") são colocadas entre as células. As tiras mais comumente usadas são cobre revestido de estanho.

O revestimento anti-reflexo

• 9 Como o silício puro é brilhante, ele pode refletir até 35% da luz solar. Para reduzir a quantidade de luz solar perdida, um revestimento anti-reflexo é colocado no wafer de silício. Os revestimentos mais comumente usados ​​são dióxido de titânio e óxido de silício, embora outros sejam usados. O material usado para o revestimento é aquecido até que suas moléculas evaporem e viajem para o silício e se condensem, ou o material é pulverizado. Nesse processo, uma alta voltagem derruba as moléculas do material e as deposita no silício no eletrodo oposto. Ainda outro método é permitir que o próprio silício reaja com gases contendo oxigênio ou nitrogênio para formar dióxido de silício ou nitreto de silício. Os fabricantes comerciais de células solares usam nitreto de silício.

Encapsulando a célula

• 10 As células solares acabadas são então encapsuladas; isto é, selado em borracha de silicone ou acetato de vinil etileno. As células solares encapsuladas são então colocadas em uma moldura de alumínio que tem uma folha traseira de mylar ou tedlar e uma cobertura de vidro ou plástico.

Controle de qualidade

O controle de qualidade é importante na fabricação de células solares porque a discrepância nos muitos processos e fatores pode afetar adversamente a eficiência geral das células. O principal objetivo da pesquisa é encontrar maneiras de melhorar a eficiência de cada célula solar ao longo de uma vida útil mais longa. O Low Cost Solar Array Project (iniciado pelo Departamento de Energia dos Estados Unidos no final dos anos 1970) patrocinou pesquisas privadas com o objetivo de reduzir o custo das células solares. O próprio silício é testado quanto à pureza, orientação do cristal e resistividade. Os fabricantes também testam a presença de oxigênio (que afeta sua força e resistência à deformação) e carbono (que causa defeitos). Os discos de silício acabados são inspecionados quanto a qualquer dano, descamação ou dobra que possa ter ocorrido durante o corte, polimento e corrosão.

Durante todo o processo de fabricação do disco de silício, a temperatura, pressão, velocidade e quantidades de dopantes são monitoradas continuamente. Também são tomadas medidas para garantir que as impurezas no ar e nas superfícies de trabalho sejam reduzidas ao mínimo.

Os semicondutores concluídos devem então passar por testes elétricos para verificar se a corrente, a tensão e a resistência de cada um atendem aos padrões apropriados. Um problema anterior com células solares era a tendência de parar de funcionar quando parcialmente sombreado. Este problema foi atenuado pelo fornecimento de diodos de derivação que reduzem tensões perigosamente altas para a célula. A resistência shunt deve então ser testada usando junções parcialmente sombreadas.

Um teste importante de módulos solares envolve fornecer às células de teste condições e intensidade de luz que elas encontrarão em condições normais e, em seguida, verificar se funcionam bem. As células também são expostas ao calor e ao frio e testadas contra vibração, torção e granizo.

O teste final para módulos solares é o teste de campo, no qual os módulos acabados são colocados onde realmente serão usados. Isso fornece ao pesquisador os melhores dados para determinar a eficiência de uma célula solar em condições ambientais e a vida útil efetiva da célula solar, os fatores mais importantes de todos.

O Futuro

Considerando o estado atual de células solares relativamente caras e ineficientes, o futuro só pode melhorar. Alguns especialistas prevêem que será uma indústria de bilhões de dólares até o ano 2000. Essa previsão é apoiada por evidências de mais sistemas fotovoltaicos de telhado sendo desenvolvidos em países como Japão, Alemanha e Itália. Planos para iniciar a fabricação de células solares foram estabelecidos no México e na China. Da mesma forma, Egito, Botswana e Filipinas (todos os três assistidos por empresas americanas) estão construindo fábricas que irão fabricar células solares.

A maioria das pesquisas atuais visa reduzir o custo da célula solar ou aumentar a eficiência. As inovações em tecnologia de células solares incluem o desenvolvimento e a fabricação de alternativas mais baratas às caras células de silício cristalino. Essas alternativas incluem janelas solares que imitam a fotossíntese e células menores feitas de pequenas bolas de silício amorfas. O silício amorfo e o silício policristalino já estão ganhando popularidade em detrimento do silício de cristal único. Inovações adicionais, incluindo a minimização da sombra e o foco da luz do sol por meio de lentes prismáticas. Isso envolve camadas de materiais diferentes (notadamente, arsenieto de gálio e silício) que absorvem luz em frequências diferentes, aumentando assim a quantidade de luz solar efetivamente usada para a produção de eletricidade.

Alguns especialistas prevêem a adaptação de casas híbridas; ou seja, casas que utilizam aquecedores solares de água, aquecimento solar passivo e células solares para reduzir as necessidades de energia. Outra visão diz respeito ao ônibus espacial colocando mais e mais painéis solares em órbita, um satélite de energia solar que envia energia para as fazendas de painéis solares da Terra e até mesmo uma colônia espacial que irá fabricar painéis solares para serem usados ​​na Terra.