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O efeito LID das células fotovoltaicas

A degradação induzida pela luz é um fenômeno que reduz a eficiência das células fotovoltaicas

Autor: 27 de fevereiro de 2021março 2nd, 2021Artigos técnicos
O efeito LID das células fotovoltaicas

Introdução

A degradação induzida pela luz é um fenômeno que reduz a eficiência das células fotovoltaicas com a exposição à luz. O fenômeno, genericamente conhecido como LID (light induced degradation), pode ter diferentes causas.

As células de filmes finos de silício amorfo são reconhecidamente as mais afetadas pelo efeito LID. Neste tipo de célula ocorre o chamado efeito de Staebler-Wrosnki, responsável pela queda brusca (de até 20%) na eficiência do módulo fotovoltaico já nas primeiras horas de exposição.

As células de CdTe (telureto de cádmio) e CIGS sofrem do mesmo problema, porém com intensidade reduzida. Módulos baseados nestes tipos de células sofrem degradação inicial tipicamente inferior a 10%.

Nas células fotovoltaicas de silício cristalino (poli ou mono), que dominam o mercado, o efeito LID é causado principalmente pela presença do complexo boro-oxigênio, que provoca a redução inicial de eficiência entre 1% e 4%.

O efeito LID nas células de silício cristalino

A origem exata da degradação das células fotovoltaicas cristalinas é ainda alvo de estudos. O modelo mais aceito na literatura científica é o do complexo boro-oxigênio. Ou seja, a degradação LID seria causada pela contaminação com oxigênio nas células fotovoltaicas fabricadas a partir de wafers do tipo P (dopados com boro).

Pesquisas recentes apontam, entretanto, a existência do efeito LID mesmo em células produzidas com outros materiais (em substituição ao boro), como é o caso das células dopadas com gálio. Há também evidências de que outros fenômenos (não relacionados à contaminação com o oxigênio) possam ser parcialmente responsáveis pela degradação LID.

O fenômeno LID ligado ao complexo boro-oxigênio, apontado como a principal origem do problema, é um fenômeno de curto-prazo, que ocorre com intensidade nas primeiras horas ou dias iniciais de exposição do módulo fotovoltaico à luz.

A figura abaixo ilustra a evolução do efeito LID em uma célula fotovoltaica de silício cristalino, fabricada pelo processo de Czochralski, em um ambiente com concentração de oxigênio e irradiância solar constantes.

Evolução do efeito LID ao longo do tempo em uma célula fotovoltaica de silício cristalino. Fonte: adaptado de “Understanding Light-Induced Degradation of c-Si Solar Cells”, DOI: 10.1109/PVSC.2012.6317798

Evolução do efeito LID ao longo do tempo em uma célula fotovoltaica de silício cristalino. Fonte: adaptado de “Understanding Light-Induced Degradation of c-Si Solar Cells”, DOI: 10.1109/PVSC.2012.6317798

As células fotovoltaicas são formadas por uma junção semicondutora P-N de silício. A junção é produzida através do processo de dopagem do silício. Boro e fósforo geralmente são os materiais empregados no processo de dopagem.

Os wafers usados na fabricação das células podem ser dopados com boro ou fósforo. Essa dopagem ocorre durante a fabricação do lingote. No primeiro caso resultam wafers do tipo P e no segundo caso do tipo N.

A grande maioria das células fotovoltaicas é produzida a partir de wafers do tipo P. As células do tipo N, que recentemente começaram a despontar no mercado, não sofrem com o efeito boro-oxigênio, apontado como o principal responsável pelo efeito LID nessas células. Isso foi explicado no artigo “O que são as células fotovoltaicas do tipo N?” [https://canalsolar.com.br/o-que-sao-as-celulas-solares-fotovoltaicas-do-tipo-n/].

Nas células do tipo P, que ainda são as mais comuns no mercado, o boro usado na dopagem pode formar complexos com o oxigênio na presença da luz. Os complexos boro-oxigênio atuam como centros de recombinação que provocam a redução da eficiência da célula fotovoltaica com a exposição à luz.

A recombinação é um processo físico que ocorre o tempo todo no silício. Quando um elétron se recombina, deixa de estar disponível para a formação da corrente elétrica. Os centros de recombinação aceleram esse processo e o resultado disso é a redução da eficiência da célula ou, em outras palavras, a redução da potência que a célula pode fornecer para uma certa irradiância (intensidade da luz solar).

Os defeitos causados pelo complexo boro-oxigênio são uma das principais limitações que a indústria encontra para produzir células de alta eficiência a partir de wafers do tipo P.

O fenômeno LID tem sido mais estudado no silício monocristalino, mas é igualmente observado nas células policristalinas e nas quase-mono (silício cast-mono). As células passivadas (PERC) são particularmente sujeitas a um efeito LID lento e mais intenso, conhecido como LeTID ou LID2, fortemente dependente da temperatura. Esse último é um fenômeno ainda pouco estudado e que deve provocar, num futuro breve, a alteração dos procedimentos de qualificação e certificação de módulos cristalinos.

As células do tipo N, com lingotes dopados com fósforo, praticamente não apresentam esse problema. É por esta razão que as células mais eficientes disponíveis no mercado são do tipo N, mas um grande volume de módulos do tipo P ainda é produzido mundialmente, pois a fabricação de wafers do tipo N requer mudanças nas linhas de produção, que a indústria prefere adiar.

Como o efeito LID afeta as instalações fotovoltaicas na prática

Felizmente, nos módulos cristalinos o efeito LID relacionado ao complexo boro-oxigênio, apontado como a principal causa desse tipo de degradação, é um fenômeno de curta duração – ou seja, ele ocorre nas primeiras horas de exposição do módulo fotovoltaico à luz. Isso permite quantificar o efeito e descontar sua influência na eficiência certificada do módulo.

Durante o processo de certificação, padronizado pela norma internacional IEC 61215, os módulos cristalinos devem ser submetidos a uma exposição inicial de 5 kWh/m2, ou seja, devem ser submetidos a uma irradiância de 1000 W/m2 durante 5 horas. Isso é necessário para estabilizar a eficiência do módulo, permitindo a mensuração da potência e de outros parâmetros elétricos após a ocorrência do efeito LID.

Os módulos fotovoltaicos adquiridos no mercado são certificados por laboratórios e organismos nacionais e internacionais. Os módulos comercializados no Brasil são certificados de acordo com a portaria 004/2011 do INMETRO, que segue orientações da norma internacional IEC 61215.

Como consequência dessa exposição inicial à luz, a potência do módulo fotovoltaico informada ao consumidor já é a potência após o efeito LID. A principal implicação que o efeito LID traz para o mercado fotovoltaico é que conseguiríamos produzir módulos mais eficientes se o fenômeno não existisse.

Referências

The Performance of photovoltaic (PV) systems. Nicola Pearsall (editor), Woodhead Publishing Series in Energy

High-Efficiency Solar Cells. Xiaodong Wang, Zhiming M. Wang (editores), Springer

Photovoltaics Fundamentals and Applications, Tom Markvart, Luis Castaner, Elsevier

Photovoltaic Solar Energy. Reinders, Verlinden, Sark, Freundlich (editores), Wiley

Understanding Light-Induced Degradation of c-Si Solar Cells Bhushan Sopori, DOI: 10.1109/PVSC.2012.6317798

Review of light-induced degradation in crystalline silicon solar cells, Solar Energy Materials & Solar Cells, Elsevier, 2016

Marcelo Villalva

Marcelo 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. Diretor do LESF - Laboratório de Energia e Sistemas Fotovoltaicos da UNICAMP. Autor do livro "Energia Solar Fotovoltaica - Conceitos e Aplicações".

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