Eficiência da célula solar - Solar cell efficiency
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A eficiência da célula solar se refere à porção de energia na forma de luz solar que pode ser convertida via fotovoltaica em eletricidade pela célula solar .
A eficiência das células solares usadas em um sistema fotovoltaico , em combinação com a latitude e o clima, determina a produção anual de energia do sistema. Por exemplo, um painel solar com 20% de eficiência e uma área de 1 m 2 produzirá 200 kWh / ano nas condições de teste padrão se exposto ao valor de irradiância solar da condição de teste padrão de 1000 W / m 2 por 2,74 horas por dia. Normalmente, os painéis solares ficam expostos à luz solar por mais tempo do que isso em um determinado dia, mas a irradiância solar é inferior a 1000 W / m 2 na maior parte do dia. Um painel solar pode produzir mais quando o sol está alto no céu e produzirá menos em condições nubladas ou quando o sol está baixo no céu. O sol está mais baixo no céu no inverno. Em uma área solar de alto rendimento como o Colorado central, que recebe insolação anual de 2.000 kWh / m 2 / ano, pode-se esperar que esse painel produza 400 kWh de energia por ano. No entanto, em Michigan, que recebe apenas 1400 kWh / m 2 / ano, a produção anual de energia cairá para 280 kWh para o mesmo painel. Em latitudes mais ao norte da Europa, os rendimentos são significativamente mais baixos: rendimento anual de energia de 175 kWh no sul da Inglaterra sob as mesmas condições.
Vários fatores afetam o valor de eficiência de conversão de uma célula, incluindo sua refletância , eficiência termodinâmica , eficiência de separação de portadores de carga, eficiência de coleta de portadores de carga e valores de eficiência de condução . Como esses parâmetros podem ser difíceis de medir diretamente, outros parâmetros são medidos, incluindo eficiência quântica , relação de tensão de circuito aberto (V OC ) e § Fator de preenchimento (descrito abaixo). As perdas de refletância são contabilizadas pelo valor da eficiência quântica, pois afetam a "eficiência quântica externa". As perdas de recombinação são contabilizadas pela eficiência quântica, razão V OC e valores do fator de preenchimento. As perdas resistivas são predominantemente contabilizadas pelo valor do fator de preenchimento, mas também contribuem para a eficiência quântica e os valores da razão V OC . Em 2019, o recorde mundial de eficiência de células solares de 47,1% foi alcançado com o uso de células solares concentradoras de múltiplas junções , desenvolvidas no National Renewable Energy Laboratory, Golden, Colorado, EUA.
Fatores que afetam a eficiência de conversão de energia
Os fatores que afetam a eficiência de conversão de energia foram expostos em um artigo de referência de William Shockley e Hans Queisser em 1961. Consulte Limite de Shockley-Queisser para mais detalhes.
Limite de eficiência termodinâmica e limite de pilha infinita
Se alguém tem uma fonte de calor na temperatura T s e um dissipador de calor mais frio na temperatura T c , o valor máximo teoricamente possível para a razão de trabalho (ou energia elétrica) obtido para o calor fornecido é 1- T c / T s , dado por um motor térmico de Carnot . Se tomarmos 6.000 K para a temperatura do sol e 300 K para as condições ambientais da Terra, isso chega a 95%. Em 1981, Alexis de Vos e Herman Pauwels mostraram que isso é possível com uma pilha de um número infinito de células com intervalos de banda variando de infinito (as primeiras células encontradas pelos fótons que chegam) a zero, com uma voltagem em cada célula muito próxima para a tensão de circuito aberto, igual a 95% do gap dessa célula, e com radiação de corpo negro de 6.000 K vindo de todas as direções. No entanto, a eficiência de 95% assim alcançada significa que a energia elétrica é 95% da quantidade líquida de luz absorvida - a pilha emite radiação porque tem temperatura diferente de zero, e essa radiação deve ser subtraída da radiação de entrada ao calcular o quantidade de calor sendo transferido e a eficiência. Eles também consideraram o problema mais relevante de maximizar a potência de saída de uma pilha sendo iluminada de todas as direções por radiação de corpo negro de 6000 K. Nesse caso, as tensões devem ser reduzidas para menos de 95% do gap (a porcentagem não é constante em todas as células). A eficiência máxima teórica calculada é de 86,8% para uma pilha de um número infinito de células, usando a radiação solar concentrada incidente. Quando a radiação que chega vem apenas de uma área do céu do tamanho do sol, o limite de eficiência cai para 68,7%.
Eficiência final
Os sistemas fotovoltaicos normais, entretanto, têm apenas uma junção p – n e estão, portanto, sujeitos a um limite de eficiência inferior, denominado "eficiência final" por Shockley e Queisser. Os fótons com energia abaixo do gap do material absorvedor não podem gerar um par elétron-buraco , então sua energia não é convertida em saída útil e só gera calor se absorvido. Para fótons com energia acima da energia do intervalo de banda, apenas uma fração da energia acima do intervalo de banda pode ser convertida em saída útil. Quando um fóton de maior energia é absorvido, o excesso de energia acima do intervalo de banda é convertido em energia cinética da combinação de portadores. O excesso de energia cinética é convertido em calor por meio de interações de fônons , à medida que a energia cinética dos portadores diminui até a velocidade de equilíbrio. As células de junção única tradicionais com um gap ideal para o espectro solar têm uma eficiência teórica máxima de 33,16%, o limite de Shockley-Queisser .
As células solares com vários materiais absorvedores de gap melhoram a eficiência dividindo o espectro solar em caixas menores, onde o limite de eficiência termodinâmica é maior para cada caixa.
Eficiência quântica
Conforme descrito acima, quando um fóton é absorvido por uma célula solar, ele pode produzir um par elétron-buraco. Um dos portadores pode atingir a junção p – n e contribuir para a corrente produzida pela célula solar; tal transportador é dito ser coletado . Ou, os portadores se recombinam sem nenhuma contribuição líquida para a corrente da célula.
A eficiência quântica se refere à porcentagem de fótons que são convertidos em corrente elétrica (isto é, portadores coletados) quando a célula é operada em condições de curto-circuito. A eficiência quântica "externa" de uma célula solar de silício inclui o efeito de perdas ópticas, como transmissão e reflexão.
Em particular, algumas medidas podem ser tomadas para reduzir essas perdas. As perdas de reflexão, que podem representar até 10% da energia incidente total, podem ser reduzidas drasticamente usando uma técnica chamada texturização, um método de captura de luz que modifica o caminho médio da luz.
A eficiência quântica é expressa de forma mais útil como uma medição espectral (isto é, como uma função do comprimento de onda ou energia do fóton). Uma vez que alguns comprimentos de onda são absorvidos de forma mais eficaz do que outros, as medições espectrais da eficiência quântica podem render informações valiosas sobre a qualidade do volume e das superfícies do semicondutor. A eficiência quântica por si só não é o mesmo que a eficiência geral de conversão de energia, pois não transmite informações sobre a fração de energia que é convertida pela célula solar.
Ponto de potência máxima
Uma célula solar pode operar em uma ampla faixa de tensões (V) e correntes (I). Ao aumentar a carga resistiva em uma célula irradiada continuamente de zero (um curto-circuito ) a um valor muito alto (um circuito aberto ), pode-se determinar o ponto de potência máxima , o ponto que maximiza V × I; ou seja, a carga para a qual a célula pode fornecer potência elétrica máxima naquele nível de irradiação. (A potência de saída é zero em ambos os extremos de curto e circuito aberto).
O ponto de potência máxima de uma célula solar é afetado por sua temperatura. Conhecendo os dados técnicos de determinada célula solar, sua potência de saída em uma determinada temperatura pode ser obtida por , onde é a potência gerada na condição de teste padrão; é a temperatura real da célula solar.
Uma célula solar de silício monocristalino de alta qualidade, a uma temperatura de célula de 25 ° C, pode produzir 0,60 V de circuito aberto ( V OC ). A temperatura da célula em plena luz do sol, mesmo com a temperatura do ar de 25 ° C, provavelmente ficará próxima a 45 ° C, reduzindo a tensão de circuito aberto para 0,55 V por célula. A tensão cai modestamente, com este tipo de célula, até que se aproxime a corrente de curto-circuito ( I SC ). A potência máxima (com temperatura de célula de 45 ° C) é normalmente produzida com 75% a 80% da tensão de circuito aberto (0,43 V neste caso) e 90% da corrente de curto-circuito. Essa saída pode ser de até 70% do produto V OC x I SC . A corrente de curto-circuito ( I SC ) de uma célula é quase proporcional à iluminação, enquanto a tensão de circuito aberto ( V OC ) pode cair apenas 10% com uma queda de 80% na iluminação. Células de qualidade inferior têm uma queda mais rápida de voltagem com o aumento da corrente e podem produzir apenas 1/2 V OC a 1/2 I SC . A saída de energia utilizável pode cair de 70% do produto V OC x I SC para 50% ou mesmo tão pouco quanto 25%. Os fornecedores que classificam a "energia" de sua célula solar apenas como V OC x I SC , sem fornecer curvas de carga, podem estar distorcendo seriamente seu desempenho real.
O ponto de potência máxima de um fotovoltaico varia com a iluminação incidente. Por exemplo, o acúmulo de poeira nos painéis fotovoltaicos reduz o ponto de potência máxima. Para sistemas grandes o suficiente para justificar a despesa extra, um rastreador de ponto de potência máxima rastreia a potência instantânea medindo continuamente a tensão e a corrente (e, portanto, a transferência de potência), e usa essas informações para ajustar dinamicamente a carga para que a potência máxima seja sempre transferida , independentemente da variação na iluminação.
Fator de preenchimento
Outro termo que define o comportamento geral de uma célula solar é o fator de preenchimento ( FF ). Este fator é uma medida de qualidade de uma célula solar. Este é o disponível de energia no ponto de potência máxima ( P m ) dividido pela tensão de circuito aberto ( V OC ) e a corrente de curto circuito ( I SC ):
O fator de preenchimento pode ser representado graficamente pela varredura IV, onde é a proporção das diferentes áreas retangulares.
O fator de preenchimento é diretamente afetado pelos valores da série da célula, resistências shunt e perdas de diodos. O aumento da resistência de shunt (R sh ) e a diminuição da resistência em série (R s ) levam a um fator de preenchimento mais alto, resultando em maior eficiência e trazendo a potência de saída da célula para mais perto de seu máximo teórico.
Fatores de preenchimento típicos variam de 50% a 82%. O fator de preenchimento para uma célula PV de silício normal é de 80%.
Comparação
A eficiência da conversão de energia é medida dividindo a produção elétrica pela potência da luz incidente. Os fatores que influenciam a saída incluem distribuição espectral, distribuição espacial de energia, temperatura e carga resistiva. O padrão IEC 61215 é usado para comparar o desempenho das células e é projetado em torno de temperatura e condições (STC) padrão (terrestre, temperada): irradiância de 1 kW / m 2 , uma distribuição espectral próxima à radiação solar através de AM ( massa de ar ) de 1,5 e uma temperatura da célula de 25 ° C. A carga resistiva é variada até que o pico ou ponto de potência máxima (MPP) seja alcançado. A potência neste ponto é registrada como Watt-pico (Wp). O mesmo padrão é usado para medir a potência e a eficiência dos módulos fotovoltaicos.
A massa de ar afeta a produção. No espaço, onde não há atmosfera, o espectro do sol é relativamente não filtrado. No entanto, na Terra, o ar filtra a luz que entra, mudando o espectro solar. O efeito de filtragem varia de Air Mass 0 (AM0) no espaço, a aproximadamente Air Mass 1.5 na Terra. Multiplicar as diferenças espectrais pela eficiência quântica da célula solar em questão resulta na eficiência. As eficiências terrestres normalmente são maiores do que as eficiências espaciais. Por exemplo, uma célula solar de silício no espaço pode ter uma eficiência de 14% em AM0, mas 16% na Terra em AM 1,5. Observe, no entanto, que o número de fótons incidentes no espaço é consideravelmente maior, de modo que a célula solar pode produzir consideravelmente mais energia no espaço, apesar da eficiência mais baixa, conforme indicado pela porcentagem reduzida da energia incidente total capturada.
As eficiências das células solares variam de 6% para células solares baseadas em silício amorfo a 44,0% com células de produção de junção múltipla e 44,4% com matrizes múltiplas montadas em um pacote híbrido. As eficiências de conversão de energia da célula solar para células solares de Si multicristalino disponíveis comercialmente são de cerca de 14–19%. As células de maior eficiência nem sempre foram as mais econômicas - por exemplo, uma célula de multijunção 30% eficiente baseada em materiais exóticos como arseneto de gálio ou seleneto de índio produzido em baixo volume pode custar cem vezes mais que um silício amorfo eficiente de 8% célula em produção em massa, entregando apenas cerca de quatro vezes a saída.
No entanto, existe uma maneira de "impulsionar" a energia solar. Ao aumentar a intensidade da luz, os portadores normalmente fotogerados são aumentados, aumentando a eficiência em até 15%. Esses chamados " sistemas concentradores " apenas começaram a se tornar competitivos em termos de custos como resultado do desenvolvimento de células de GaAs de alta eficiência. O aumento na intensidade é normalmente realizado usando ótica de concentração. Um sistema concentrador típico pode usar uma intensidade de luz de 6 a 400 vezes a do sol e aumentar a eficiência de uma célula de GaAs de um sol de 31% em AM 1,5 para 35%.
Um método comum usado para expressar custos econômicos é calcular um preço por quilowatt-hora (kWh) entregue . A eficiência da célula solar em combinação com a irradiação disponível tem uma grande influência nos custos, mas em geral a eficiência geral do sistema é importante. As células solares disponíveis comercialmente (em 2006) alcançaram eficiências do sistema entre 5 e 19%.
Dispositivos de silício cristalino não dopado estão se aproximando da eficiência limite teórica de 29,43%. Em 2017, a eficiência de 26,63% foi alcançada em uma célula de heterojunção de silício amorfo / silício cristalino que coloca contatos positivos e negativos na parte de trás da célula.
Reembolso de energia
O tempo de recuperação de energia é definido como o tempo de recuperação necessário para gerar a energia gasta na fabricação de um módulo fotovoltaico moderno. Em 2008, foi estimado em 1 a 4 anos dependendo do tipo e localização do módulo. Com uma vida útil típica de 20 a 30 anos, isso significa que as células solares modernas seriam produtoras líquidas de energia, ou seja, gerariam mais energia ao longo de sua vida útil do que a energia gasta em sua produção. Geralmente, as tecnologias de filme fino - apesar de terem eficiências de conversão comparativamente baixas - alcançam tempos de retorno de energia significativamente mais curtos do que os sistemas convencionais (geralmente <1 ano).
Um estudo publicado em 2013, em que a literatura existente descobriu que o tempo de retorno de energia estava entre 0,75 e 3,5 anos, com células de filme fino ficando na extremidade inferior e células multi-si tendo um tempo de retorno de 1,5 a 2,6 anos. Uma revisão de 2015 avaliou o tempo de retorno de energia e EROI da energia solar fotovoltaica. Neste metaestudo, que usa uma insolação de 1700 kWh / m 2 / ano e uma vida útil do sistema de 30 anos, foram encontrados EROIs harmonizados médios entre 8,7 e 34,2. O tempo médio de retorno de energia harmonizado variou de 1,0 a 4,1 anos. Os dispositivos de silício cristalino atingem, em média, um período de retorno de energia de 2 anos.
Como qualquer outra tecnologia, a fabricação de células solares depende da existência de um complexo sistema de fabricação industrial global. Isso inclui os sistemas de fabricação normalmente contabilizados nas estimativas de energia de fabricação; os sistemas de mineração contingente, refino e transporte global; e outros sistemas de suporte com uso intensivo de energia, incluindo finanças, informações e sistemas de segurança. A dificuldade em medir tal sobrecarga de energia confere alguma incerteza em qualquer estimativa de tempo de retorno.
Métodos técnicos para melhorar a eficiência
Escolhendo o condutor transparente ideal
O lado iluminado de alguns tipos de células solares, filmes finos, tem um filme condutor transparente para permitir que a luz entre no material ativo e colete os portadores de carga gerados. Normalmente, filmes com alta transmitância e alta condutância elétrica, como óxido de índio e estanho, polímeros condutores ou redes de nanofios condutores são usados para esse propósito. Há uma compensação entre alta transmitância e condutância elétrica, portanto, a densidade ideal de nanofios condutores ou estrutura de rede condutora deve ser escolhida para alta eficiência.
Promover a dispersão de luz no espectro visível
O revestimento da superfície receptora de luz da célula com pinos metálicos de tamanho nanométrico pode aumentar substancialmente a eficiência da célula. A luz reflete nesses pinos em um ângulo oblíquo em relação à célula, aumentando o comprimento do caminho da luz através da célula. Isso aumenta o número de fótons absorvidos pela célula e a quantidade de corrente gerada.
Os principais materiais usados para os nano-pinos são prata , ouro e alumínio . O ouro e a prata não são muito eficientes, pois absorvem grande parte da luz do espectro visível, que contém a maior parte da energia presente na luz solar, reduzindo a quantidade de luz que chega à célula. O alumínio absorve apenas a radiação ultravioleta e reflete a luz visível e infravermelha, de modo que a perda de energia é minimizada. O alumínio pode aumentar a eficiência da célula em até 22% (em condições de laboratório).
Resfriamento radiativo
Um aumento na temperatura da célula solar de aproximadamente 1 ° C causa uma diminuição da eficiência de cerca de 0,45%. Para evitar isso, uma camada de cristal de sílica transparente pode ser aplicada aos painéis solares. A camada de sílica atua como um corpo negro térmico que emite calor como radiação infravermelha para o espaço, resfriando a célula até 13 ° C.
Revestimentos e texturas anti-reflexo
Revestimentos anti-reflexos podem resultar em interferência mais destrutiva de ondas de luz incidentes do sol. Portanto, toda a luz solar seria transmitida para o fotovoltaico. A texturização, em que a superfície de uma célula solar é alterada para que a luz refletida volte a atingir a superfície, é outra técnica usada para reduzir a reflexão. Essas superfícies podem ser criadas por corrosão ou litografia. Adicionar uma superfície posterior plana, além de texturizar a superfície frontal, ajuda a reter a luz dentro da célula, proporcionando assim um caminho óptico mais longo.
Passivação da superfície traseira
A passivação da superfície é crítica para a eficiência da célula solar. Muitas melhorias foram feitas na parte frontal das células solares produzidas em massa, mas a superfície posterior de alumínio está impedindo as melhorias de eficiência. A eficiência de muitas células solares foi beneficiada pela criação dos chamados emissores passivados e células traseiras (PERCs). A deposição química de uma pilha de camadas de passivação dielétrica na superfície traseira que também é feita de um filme fino de sílica ou óxido de alumínio coberto com um filme de nitreto de silício ajuda a melhorar a eficiência em células solares de silício . Isso ajudou a aumentar a eficiência da célula para o material de wafer Cz-Si comercial de pouco mais de 17% para mais de 21% em meados de 2010, e a eficiência da célula para quase-mono-Si para um recorde de 19,9%.
Conceitos de passivação da superfície traseira para células solares de silício também foram implementados para células solares CIGS. A passivação da superfície traseira mostra o potencial para melhorar a eficiência. Al 2 O 3 e SiO 2 têm sido usados como materiais de passivação. Os contatos de ponto nanométrico na camada de Al 2 O 3 e os contatos de linha na camada de SiO2 fornecem a conexão elétrica do absorvedor CIGS ao eletrodo traseiro de molibdênio . Os pontos de contato na camada de Al 2 O 3 são criados por litografia de feixe eletrônico e os contatos de linha na camada de SiO 2 são criados por fotolitografia . Além disso, a implementação das camadas de passivação não altera a morfologia das camadas CIGS.
Materiais de filme fino
Os materiais de filme fino são muito promissores para as células solares em termos de baixo custo e adaptabilidade às estruturas e estruturas existentes em tecnologia. Como o material usado não é nem de longe tão substancial e absorvente quanto uma folha de cristal de silício sólido , esses painéis só são capazes de atingir uma faixa de eficiência total de 7 a 14%. Como os materiais são tão finos, eles não têm a absorção óptica das células solares de material a granel. Tentativas de corrigir isso foram tentadas, mas o mais importante é a recombinação da superfície do filme fino. Como esse é o processo de recombinação dominante de células solares de película fina em nanoescala, é crucial para sua eficiência. Adicionar uma fina camada passivadora de dióxido de silício pode reduzir a recombinação.