Setembro 22, 2020

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Prof. Dr. Marcelo Gradella Villalva
LESF - Laboratório de Energia e Sistemas Fotovoltaicos da UNICAMP
www.lesf.com.br


Atualmente células fotovoltaicas do tipo N estão ganhando o mercado de energia solar. Talvez você não saiba ou nunca tenha se preocupado com isso, mas as células empregadas na fabricação de módulos fotovoltaicos sempre foram do tipo P. Por que agora essa mudança?

Células fotovoltaicas do tipo N são mais eficientes, mas o mercado sempre preferiu as células do tipo P, tanto monocristalinas como policristalinas. Inicialmente o silício do tipo P era preferido e sua fabricação desenvolveu-se mais rapidamente por causa de sua grande tolerância a danos causados pela radiação cósmica, que o tornava ideal para aplicações aeroespaciais.

O que difere os silícios P e N é o processo de dopagem na fabricação do lingote com o qual os wafers são fabricados. Os wafers são bolachas de silício que depois vão se transformar em células fotovoltaicas. As células tradicionais são fabricadas com wafers do tipo P, enquanto as células do tipo N são fabricadas com wafers de silício do tipo N.

Figura 2Figura 1: O processo de fabricação de uma célula fotovoltaica cristalina (mono ou poli) começa com a produção do lingote monocristalino ou policristalino, de onde são extraídos os wafers pelo processo de serragem. Os wafers depois são dopados e vão se transformar em células

Figura 2Figura 2: Estruturas das células de silício dos tipos N e P

Depois da fabricação do wafer o próximo passo na fabricação da célula é a dopagem final. Nas células do tipo P a dopagem final acrescenta uma camada N sobre o wafer P, formando a junção P-N, como vemos na Figura 2. Por outro lado, na célula do tipo N o wafer N é finalmente dopado para receber uma camada de silício do tipo P, como vemos na mesma figura.

As células do tipo P dominaram o mercado porque nos primeiros anos da produção de materiais fotovoltaicos a maior parte dessa demanda vinha das agências espaciais para a produção de satélites e outros equipamentos que ajudavam na exploração espacial, uma vez que o Si do tipo P é mais resistente à degradação causada pela exposição aos raios cósmicos. Diante dessa demanda as indústrias começaram a produzir as células solares do tipo P e assim continuaram até os dias de hoje.

Entretanto, o silício P também tem outras vantagens, como as temperaturas mais baixas necessárias para as difusões de fósforo para formar a junção P-N, em comparação com as difusões de boro necessárias para as células do tipo N, juntamente com o fato de que as difusões de fósforo permitem a remoção eficaz de impurezas metálicas do silício policristalino. Em outras palavras, a fabricação de células do tipo P gasta menos energia e é mais simples.

Embora a primeira célula solar de silício desenvolvida pela empresa Bell Laboratories no ano de 1954 tenha sido do tipo N, as células do tipo P predominaram no mercado da indústria. As vantagens do silício do tipo P levaram ao domínio inicial do mercado e resultaram na preferência dessa tecnologia pelos fornecedores de equipamentos e no desenvolvimento de processos industriais.

Mais recentemente, no entanto, a busca por módulos fotovoltaicos mais eficientes voltou os olhares do mercado para o silício do tipo N, que do ponto de vista da aplicação, apesar da fabricação mais complexa, tem vantagens significativas sobre o silício do tipo P.

A característica mais importante do silício do tipo N é a maior vida útil dos portadores (elétrons livres), causada principalmente pela ausência do conhecido feito do boro-oxigênio. A vida útil dos portadores está diretamente relacionada à eficiência de uma célula fotovoltaica. Essa é a razão fundamental por trás do fato de que os módulos de maior eficiência disponíveis no mercado hoje empregam células do tipo N.

A participação do silício do tipo N no mercado ainda é pequena. Apesar de sua maior eficiência, seu custo é mais elevado. Muitas empresas e centros de pesquisa estão agora trabalhando no desenvolvimento de células solares do tipo N, tentando reduzir seu custo de produção e ao mesmo tempo buscando eficiências mais elevadas.

O efeito boro-oxigênio

A evolução da tecnologia de células solares vem ocupando um espaço significativo no mercado fotovoltaico. Células solares em sua grande maioria são bolachas de silício cristalino (Si) que são responsáveis pela conversão da energia luminosa em energia elétrica. Elas podem ser constituídas de silício monocristalino (mono-Si), policristalinos (multi-Si) ou de silício amorfo (a-Si). O conjunto dessas células fotovoltaicas forma os módulos solares.

Como sabemos, o que difere os silícios P e N é o processo de dopagem na fabricação do lingote. O silício P é dopado com boro e o silício N é dopado com fósforo. Durante o processo de formação do lingote cristalino ocorre a penetração de oxigênio no silício. Esse problema é cerca de três vezes mais intenso no silício monocristalino, fabricado pelo método de Czocralsky, do que no silício policristalino.

O grande problema é que o oxigênio presente no silício se junta ao boro para formar centros de recombinação de portadores, que reduzem o tempo de vida dos elétrons disponíveis para a formação de corrente elétrica. Em outras palavras, a presença do complexo boro-oxigênio torna as células cristalinas menos eficientes.

Então, a principal causa da baixa eficiência das células do tipo P, que sempre foram as preferidas do mercado, é o chamado efeito boro-oxigênio. O silício do tipo N não sofre com isso. Portanto, com ele conseguimos fabricar células mais eficientes.

A formação do complexo boro-oxigênio ocorre nas primeiras horas ou semanas de exposição da célula à luz. Essa é a principal causa do conhecido efeito LID (light induced degradation - degradação induzida pela luz), que reduz a eficiência das células fotovoltaicas em 2 a 4%. O silício do tipo N, por outro lado, não sofre com esse problema.

Dificuldades na fabricação do silício do tipo N

Além de usar mais energia, como comentamos no início do texto, a fabricação do silício monocristalino do tipo N apresenta uma dificuldade com relação ao processo de crescimento do lingote.

Na fabricação do lingote do tipo P o dopante boro apresenta uma distribuição mais homogênea de concentração. Isso significa que a quantidade de boro permanece aproximadamente constante em toda a extensão do lingote e há pouca diferença de concentração de uma extremidade para outra. Falando em linguagem simples, as células fabricadas a partir do lingote tipo P têm aproximadamente as mesmas características, independentemente da parte do lingote de onde os wafers são extraídos.

No caso do silício do tipo N, por outro lado, o espalhamento do dopante fósforo não é tão homogêneo. Isso resulta em lingotes com grande diferença de concentração de dopantes entre uma extremidade e outra. Em resumo: apenas uma extremidade do lingote permite obter células de alta eficiência, enquanto as células da outra extremidade serão menos eficientes. Isso leva ao baixo aproveitamento do lingote e naturalmente à elevação do custo de produção do silício monocristalino do tipo N.

Outro problema associado ao silício N é a dificuldade na passivação da célula. A passivação é uma técnica que vem sendo muito utilizada nas modernas células PERC (passivated emitter rear contact). Basicamente as células passivadas são aquelas que possuem uma fina camada de algum outro material colada à camada de silício. Isso melhora as propriedades elétricas e ópticas da célula, tornando-a mais eficiente. A indústria encontra mais facilidade para passivar o silício P do que o silício N, sendo esse mais um obstáculo na ampliação da produção e na redução do custo desse tipo de silício no mercado.

Conclusão

Muito tem se falado dos módulos solares fabricados com células do tipo N. Os fabricantes estão utilizando essa célula por causa de seus benefícios adicionais, como o potencial de alcançar alta eficiência. Por utilizarem o fósforo em vez do boro, elas estão imunes a defeitos de boro-oxigênio que causam menor eficiência nas células do tipo P.

A célula N é mais eficiente, mas sua fabricação é mais complexa. A célula do tipo P sempre foi a mais utilizada no mercado, desde o início da popularização da energia solar fotovoltaica até os dias de hoje.

A maior preocupação do mercado, que torna difícil a adoção total do silício N no lugar do silício P, é o desenvolvimento de uma tecnologia de baixo custo para processamento das células do tipo N. Vários fabricantes internacionais estão envolvidos em pesquisa e desenvolvimento para diminuir o custo e aumentar os resultados.

Referências

The emergence of n-type silicon for solar cell manufacture, Daniel Macdonald, Universidade Nacional da Austrália, Canberra

Advancements in n-Type Base Crystalline Silicon Solar Cells and Their Emergence in the Photovoltaic Industry, Atteq ur Rehman and Soo Hong Lee, Green Strategic Energy Research Institute, Department of Electronic Engineering, Sejong University, Koreia

N-type solar cells: advantages, issues, and current scenarios, Bandana Singha and Chetan S Solanki, Department of Energy Science and Engineering, Indian Institute of Technology Bombay, Mumbai, India

https://www.cedgreentech.com/article/solar-cell-efficiency-n-type-v-p-type

https://www.pv-magazine.com/magazine-archive/switch-from-p-to-n_10007072/

https://www.solarpowerworldonline.com/2018/07/the-difference-between-n-type-and-p-type-solar-cells/#

https://www.cleanenergyreviews.info/blog/solar-pv-cell-construction

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Última modificação em Quinta, 17 Setembro 2020 13:21
Marcelo Gradella Villalva

Especialista em sistemas fotovoltaicos. Doutor (PhD), Mestre e Graduado em Engenharia Elétrica. Docente e pesquisador da Faculdade de Engenharia Elétrica e de Computação (FEEC) da UNICAMP - Universidade Estadual de Campinas. Diretor do LESF - Laboratório de Energia e Sistemas Fotovoltaicos da UNICAMP (http://www.lesf.com.br). Autor de mais de 200 artigos técnicos de alcance internacional nas áreas de eletrônica de potência e sistemas fotovoltaicos. É autor do livro "Energia Solar Fotovoltaica - Conceitos e Aplicações". Pioneiro em treinamentos em sistemas fotovoltaicos no Brasil. É coordenador do programa de Extensão em Energia Solar Fotovoltaica da UNICAMP (http://cursosolar.com.br), onde apresenta cursos de Introdução à Energia Solar Fotovoltaica, Projeto e Dimensionamento de Sistemas com PVSyst e Instalação e Integração de Sistemas Conectados à Rede Elétrica.

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