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O silício cristalino (c-Si), nas formas poli ou multicristalina (também conhecida como policristalina) domina o mercado de células fotovoltaicas, com mais de 90% do market share frente às demais tecnologias, incluindo nessas últimas os filmes finos e outros materiais semicondutores.
Grande parte do custo de fabricação de células e módulos fotovoltaicos cristalinos reside no processo de obtenção de wafers de silício.
Custos associados à quantidade de matéria prima e ao uso de energia na fabricação de wafers são os grandes vilões da indústria do silício cristalino.
Recentemente, ocorreram avanços na fabricação de wafers com a introdução do método de serragem por fios diamantados. Esse método possibilita obter 50% mais wafers do que os métodos tradicionais, com a mesma quantidade de matéria prima.
Isso significa que wafers mais finos podem ser obtidos, tipicamente com espessuras menores do que 200 micrômetros (1 micrômetro é igual a 1 milésimo de milímetro). A consequência imediata disso é a redução dos preços das células e dos módulos fotovoltaicos para o mercado consumidor.
Mas nem tudo é perfeito. A redução da espessura das células de silício reduz a eficiência de conversão, uma vez que as taxas de recombinação de elétrons e lacunas tornam-se mais elevadas. Por que isso é um problema?
Para entender isso precisamos relembrar o princípio de funcionamento das células fotovoltaicas. A luz (ou a radiação solar) ao incidir no silício transfere energia para elétrons localizados na banda de valência (camada mais externa do átomo).
Elétrons excitados com mais energia pulam da banda de valência do silício para a banda de condução. Em outras palavras, os elétrons soltam-se dos átomos e ganham liberdade para se movimentar, podendo então participar da formação da corrente elétrica.
Não devemos esquecer que os elétrons que saltam para a banda de condução deixam para trás espaços vazios (correspondentes à ausência de elétrons), que conhecemos na literatura como lacunas.
A geração de pares elétron-lacuna pela incidência da radiação solar sobre a célula de silício é um dos fenômenos-chave do efeito fotovoltaico.
Quanto mais luz, mais elétrons livres e mais lacunas existem no silício. Então, quanto maior a intensidade de luz incidente, mais corrente elétrica uma célula fotovoltaica pode fornecer.
Isso seria perfeito se não existisse o fenômeno da recombinação de portadores. Os elétrons excitados que ganham energia e pulam para fora do átomo, depois de algum tempo retornam naturalmente para o seu estado inicial e se recombinam com as lacunas, reduzindo a capacidade da célula de fornecer corrente elétrica.
A recombinação de portadores é um obstáculo para o aumento da eficiência das células fotovoltaicas. Maiores taxas de recombinação reduzem a disponibilidade de elétrons e consequentemente a corrente elétrica que a célula pode fornecer, limitando a energia produzida – em outras palavras, a eficiência da célula é reduzida.
Normalmente a recombinação não é um problema tão grande nas células de silício convencionais. A recombinação de portadores é menor no centro da célula e maior nas superfícies.
Nas extremidades das células existem impurezas e defeitos nas estruturas cristalinas que favorecem a recombinação de portadores, o que reduz a quantidade de elétrons (e lacunas) disponíveis para a geração de correntes elétricas.
Impurezas e defeitos nas estruturas funcionam como armadilhas de elétrons ou centros de recombinação que facilitam a transição dos elétrons da banda de condução para a banda de valência, reduzindo o tempo de vida dos portadores (aumentando a velocidade de recombinação).
A velocidade de recombinação e a eficiência das células fotovoltaicas podem ser controladas pelo ajuste da espessura do wafer. Células mais espessas evitam que elétrons tenham a chance de chegar às superfícies, onde a recombinação é mais fácil.
Células mais finas proporcionam taxas maiores de recombinação, pois os elétrons chegam mais facilmente às extremidades das células.
Células de silício monocristalino (produzidas pelo processo de Czochralski) ou células policristalinas normalmente têm espessuras em torno de 300 a 400 micrômetros, o que reduz a ocorrência de recombinação de elétrons e lacunas nas superfícies, pois quanto maior a espessura da célula, menor é quantidade de portadores que consegue chegar às superfícies.
Porém, quando produzimos células mais finas (com espessuras de 100 a 200 micrômetros) as taxas de recombinação são mais elevadas e isso ocasiona reduções de eficiência inaceitáveis, que em princípio inviabilizariam o uso de wafers tão finos.
Passivação do silício
O avanço da tecnologia de fabricação de wafers mais finos obrigatoriamente tem que estar acompanhado de técnicas de passivação do silício. Passivação é o nome que damos a um processo que consiste na adição de camadas de outros materiais às superfícies das células.
São camadas muito finas, com espessuras de 7 a 10 nanômetros (1 nanômetro é igual a 1 milésimo de micrômetro ou 1 milionésimo de milímetro).
A passivação do silício pode ser realizada por diferentes processos e com diferentes materiais. O resultado da passivação é a redução da recombinação de elétrons nas extremidades do silício, proporcionando aumentos de eficiência significativos em relação à eficiência do silício não passivado.
Basicamente, a passivação funciona através de dois fenômenos:
- Redução do efeito dos defeitos nas estruturas e regularização das superfícies ou;
- Criação de campos elétricos que repelem os elétrons (e também as lacunas) das superfícies das células, dificultando a recombinação.
A primeira técnica é chamada de passivação química e a segunda de passivação por feito de campo (FEP – Field Effect Passivation). As técnicas de passivação funcionam por meio de um desses dois fenômenos.
O objetivo de todas as técnicas de passivação é reduzir a velocidade de recombinação de portadores nas superfícies, conhecida na literatura como SRV (Surface Recombination Velocity).
Além de elevar a eficiência das células com a redução da velocidade de recombinação, as técnicas de passivação reduzem o efeito PID (Potencial Induced Degradation), grande responsável pela degradação das células ao longo do tempo. O efeito PID não é abordado neste artigo.
Enquanto a passivação permite o uso de wafers mais finos, a passivação também pode ser considerada uma das técnicas usadas pelos fabricantes para alcançar eficiências cada vez mais elevadas, junto com outras técnicas existentes.
As principais tecnologias de passivação existentes e que já começam a ser usadas em larga escala por fabricantes de células fotovoltaicas são conhecidas como HJT, HIT e PERC.
A indústria ainda não decidiu qual das técnicas vai preferir e por enquanto os fabricantes estão divididos. Existe uma tendência em direção à tecnologia PERC, segundo apontam alguns levantamentos realizados no final de 2017, embora alguns fabricantes defendam que a tecnologia HIT exige menos energia e menos etapas de fabricação do que a tecnologia PERC.
A figura a seguir exibe uma projeção dos market shares das principais tecnologias cristalinas até 2026, considerando o ritmo atual do mercado.
Células comerciais com passivação
Células comerciais com passivaçãoTecnologias HIT e HJT
HJT e HIT são nomes diferentes para a mesma coisa. A técnica HIT foi desenvolvida cerca de 20 anos atrás pela japonesa Sanyo.
A expiração da patente em 2010 abriu uma janela de oportunidade para que outros fabricantes voltassem sua atenção para a técnica. HIT significa Heterojunction Intrinsic-layer Technology e ainda é uma marca registrada da Panasonic (que adquiriu a Sanyo), apesar de a patente já ter caído.
De forma genérica, a indústria refere-se à técnica como HJT (HeteroJunction Technology). Já se provou ser possível obter células fotovoltaicas HIT com eficiências de mais de 25% em escala laboratorial.
Em escala comercial, com HIT é possível fabricar módulos de 60 células com potências de quase 310 W. Para comparação, com a tecnologia convencional (silício não passivado com 300 a 400 micrômetros) os módulos de 60 células não ultrapassam a barreira dos 270 W.
Mesmo com a redução da espessura da célula, a técnica HIT eleva a eficiência dos módulos em até 15%.
Tecnologia PERC
Essa tecnologia é parente não muito distante da tecnologia HIT. O significado da sigla PERC varia de acordo com a fonte consultada. Autores referem-se a ela como Passivated Emitter Rear Cell, Passivated Emitter Rear Contact ou Passivated Emitter and Rear Cell.
Todas essas denominações têm mais ou menos o mesmo significado. Independentemente do nome utilizado, vamos tentar entender como isso funciona.
Assim como a HIT, a tecnologia PERC representa um grande avanço além das células cristalinas tradicionais. Assim como a tecnologia HIT, a tecnologia PERC não é nova – foi desenvolvida há mais de 30 anos na University of South Wales, na Austrália, mas somente agora começou a ser empregada comercialmente.
Durante muito tempo os fabricantes estiveram focados na melhoria dos processos de fabricação das células cristalinas tradicionais e as tecnologias PERC e HIT, por um motivo ou outro, ficaram na geladeira.
O recente interesse pela técnica PERC foi bastante motivado pela competitividade agressiva entre os fabricantes de células e módulos. Fabricantes tentam continuadamente melhorar seus produtos, valendo-se de todos os artifícios e tecnologias possíveis para alcançar eficiências maiores.
Além das tecnologias de passivação que estamos abordando neste artigo, existem várias técnicas que podem ser combinadas e permitem o aumento da eficiência de módulos fotovoltaicos – abordaremos essas técnicas em outra publicação.
