Funcionamento e Aplicação de Células Fotovoltaicas de Terceira Geração

Transcrição

1 Departamento de Engenharia Electrotécnica Funcionamento e Aplicação de Células Fotovoltaicas de Terceira Geração Trabalho de Projecto apresentada para a obtenção do grau de Mestre em Automação e Comunicações em Sistemas de Energia Autor Jorge Miguel Torrado de Sousa Orientadores Doutor Adelino Pereira Instituto Superior de Engenharia de Coimbra Coimbra, Dezembro, 2011

2 Instituto Politécnico de Coimbra Instituto Superior de Engenharia Funcionamento e Aplicação de Células Fotovoltaicas de Terceira Geração Orientador(es): Adelino Jorge Coelho Pereira Professor Doutor, ISEC Jorge Miguel Torrado de Sousa Projecto para obtenção do Grau de Mestre em Automação e Comunicações em Sistemas de Energia COIMBRA Dezembro 2011

3 Agradecimentos Agradeço aos meus Pais, Sr. Carlos Jorge Séneca de Sousa. Srª. Dª. Ana Maria Pinto Torrado Séneca de Sousa. À minha restante e curta, mas a melhor Família, Tios, Tias, Primas e Primos. Em segundo, a todas as Pessoas que apareceram no meu caminho e me marcaram das mais variadas formas. Aos meus Amigos agradeço tudo e peço perdão pelos meus dias maus. Um muito obrigado ao meu orientador, Professor. Adelino Pereira por toda a ajuda dada, dinamismo e contribuição essencial. Ao ISEC, que a alguns de nós, os Zés e as Marias nos fez, ensinou e preparou, e nos deu, ainda que indirectamente, a oportunidade de nos conhecermos e aproveitarmos uma vida na companhia uns dos outros. A vós agradeço. - As horas difíceis são as horas das grandes Almas. Srª. Dª. Irene Muito Bem Hajam, Jorge Torrado. iii

4 Resumo A Energia Solar tende a ser um substituto viável às fontes energéticas derivadas de combustíveis fósseis devido à sua abundância. A sua versatilidade, abundância e facto de ser uma fonte energética amiga do ambiente, tornam-na numa alternativa com grande potencial em termos de fonte energética renovável. As Células Fotovoltaicas convertem a energia solar em energia eléctrica dando origem a um grande número de aplicações. Desde sempre que o aumento dos índices de eficiência e a redução de custos têm sido uma das fontes de pesquisas por parte da comunidade científica, tendo sido realizados estudos sobre os princípios físicos que envolvem o funcionamento das Células Fotovoltaicas de forma a melhorar os seus índices de eficiência. Neste trabalho foi simulada uma Célula Solar Fotovoltaica de Terceira Geração utilizando um software específico que faz uso do Método dos Elementos Finitos, FEM (Finite Element Method). Foi escolhida uma combinação específica de materiais semicondutores e obtidas as características específicas referentes ao funcionamento da Célula Solar Fotovoltaica de Terceira Geração. As características obtidas definem o seu funcionamento em condições de equilíbrio e desequilibrio térmico, isto é sem energia óptica incidente e com energia óptica incidente. Palavras Chave: Energia Solar, Células Fotovoltaicas de Terceira Geração, Método dos Elementos Finitos v

5 Abstract Solar Energy tends to be a viable substitute to energy sources derived from fossil fuels due to its abundance. Its versatility, abundance, and that it is a source of energy "environmentally friendly", they make it an alternative with great potential for renewable energy source. Photovoltaic cells that convert solar energy into electrical energy giving rise to a large number of applications. The increased levels of efficiency and cost reduction have been a source of research by the scientific community, having been carried out studies on the physical principles that involve the operation of photovoltaic cells in order to improve efficiency. In this work, is simulated a Third Generation Solar Cell using a specific software tool that makes use of mathematical tool, FEM (Finite Element Method). Has been chosen a specific combination of semiconductor materials and obtained specific features relating to the operation of the Solar Cell. The characteristics obtained define its operation under conditions of thermal equilibrium and disequilibrium, i.e., no optical energy applied and optical energy applied. Keywords: Solar Energy, Third Generation Solar Cells, FEM Finite Element Method vii

6 Índice Agradecimentos... iii Resumo... v Abstract... vii Índice... ix Lista de Figuras... xi Lista de Tabelas... xv Nomenclatura... xvi CAPÍTULOI Introdução Energias Renováveis Tendências Importância e Estrutura da Dissertação... 4 CAPÍTULO II Energia Solar Conversão de Energia Solar em Electricidade Novas Gerações de Células Fotovoltaicas Posição Nacional face às Energias Renováveis Posição Nacional face à Energia Solar CAPÍTULO III Células Solares Funcionamento de Células Fotovoltaicas de Junção p-n Simples Tipos de Células Fotovoltaicas no Mercado CAPÍTULO IV Células Solares de Terceira Geração Células Solares de Terceira Geração, Generalizações Termodinâmica de uma Célula Fotovoltaica de Junção p - n Simples Tecnologias de Terceira Geração Divisão Espectral, Pilhas de Células Células de Divisão Espectral Pilhas de Células Multijunções Escolha dos Materiais Constituição, Estrutura Contactos Metálicos Película Anti Reflexo Junções de Passagem Janela de Passagem e BSF (Back Surface Field) Característica J V Recombinação Processos de Recombinação Modelos Matemáticos Condições de Desequilíbrios Térmicos ix

7 Modelo Matemático Considerado pelo Simulador CAPÍTULO V Aplicação Apresentação do Software Simulações Efectuadas Resultados a Obter Dados Usados na Simulação Situação de Equilíbrio Térmico Situação de Desequilíbrio Térmico CAPÍTULO VI Conclusões e Trabalho Futuro Conclusões Trabalhos Futuros e Projectos REFERÊNCIAS ANEXO x

8 Lista de Figuras Figura 1.1.Produção anual de Petróleo... 2 Figura 1.2.Energia Fotovoltaica por país, Perspectivas de crescimento da Energia Fotovoltaica... 2 Figura 1.3. Energia Solar Fotovoltaica e Perspectivas de crescimento Figura 1.4.Eficiência e projecções de custos para as três gerações (I, II, III) (painéis, filmes finos, e Filmes finos de terceira geração, Respectivamente... 4 Figura 2.1.Estruturas físicas de uma junção p-n simples (diagrama energético) (cima à esquerda), aspecto real de uma célula fotovoltaica (baixo), Distribuição de electrões, buracos na estrutura sob iluminação (direita em baixo) Figura 2.2.Eficiências de células fotovoltaicas testadas em laboratório... 8 Figura 2.3.Células, painéis solares de 1ª Geração Figura 2.4.Camadas de uma célula solar de 2ª Geração (esquerda), Descrição dos materiais constituintes (meio), Aspecto final de uma célula CIGS, para aplicações espaciais (direita) Figura 2.5. Aspecto de célula solar de terceira geração Figura 2.6.Eficiências de células fotovoltaicas de 1ª, 2ª e 3ª Geração, Respectivamente Figura 2.7.Dependência face ao Petróleo da Europa dos Figura 2.8. Níveis de Insolação por metro quadrado Figura 3.1.Estrutura de um cristal de silício (c - Si) sem elementos dopantes (esquerda), estrutura sujeita a dopagem tipo n (elemento dopante: Strômbio) (meio), estrutura sujeita a dopagem tipo p (elemento dopante: Alumínio) (direita) Figura 3.2. A junção p-n e formas de onda características (esquerda) junção p-n iluminada (meio) contactos metálicos superiores Figura 3.3. Circuito eléctrico real equivalente de uma célula fotovoltaica, sem díodo de estabilização de curva (esquerda), circuito eléctrico real equivalente de célula fotovoltaica com díodo de estabilização de curva (direita) Figura 3.4.Circuito eléctrico real equivalente de uma célula fotovoltaica, sem díodo de estabilização de curva (esquerda), circuito eléctrico real equivalente de célula fotovoltaica com díodo de estabilização de curva (direita) Figura 3.5. Quotas de mercado das diferentes tecnologias (esquerda), Rendimento real de células fotovoltaicas Si amorfo, Si monocristalino, Si policristalino Respectivamente Figura 4.1.Três células multijunção com diferentes combinações de materiais e diferentes rendimentos (simulações laboratoriais) Figura 4.2. Perdas numa célula solar de primeira geração Figura 4.3. Sistema considerado para o cálculo do rendimento de Carnot Figura 4.4. Sistema considerado para o cálculo do rendimento de Landsberg Figura 4.5. Entropia produzida no processo de emissão (esquerda), Entropia produzida no processo de absorção (direita) Figura 4.6. Conceito de Multijunção, divisão espectral, filtragem (esquerda), pilha de células (direita) Figura 4.7. Interacção entre células em pilha sem filtros (direita), interacção entre células em pilha com filtros (esquerda) Figura 4.8.Célula multijunção em pilha com junções p-n compostas condutoras ligadas em série com dois contactos metálicos (esquerda), célula multijunção com junções p-n compostas condutoras separadas fisicamente com múltiplos contactos xi

9 Figura 4.9.Célula solar multijunção InGaP/InGaAs/Ge, Espectro Electromagnético com eficiências máximas de cada junção Figura 4.10.Diagramas energéticos de uma célula de multijunção constituída por um semicondutor A do tipo n e um semicondutor B do tipo p, com níveis Energéticos intrínsecos dos materiais Vbi (A) e Vbi (B) Figura Descontinuidade das bandas de condução e a diferença entre afinidades electrónicas entre as diferentes multijunções Figura Junção de duas camadas, Si1 -xgex e substrato de Si com respectiva deslocação de rede (esquerda) plano a três dimensões da deslocação de rede em causa com as duas deslocações de elos de ligação para cada deslocação de rede (direita) Figura 4.13.Célula Multijunção de substrato de Germânio (cima), Célula multijunção de substrato de GaAs (baixo) Figura Célula de multijunção InGaP/GaAs/InGaAs Figura Diagramas energéticos de um metal e de um semicondutor antes (esquerda) e após contacto (direita) Figura Espectro Electromagnético Figura Célula Fotovoltaica com pormenor de película anti reflexo com a respectiva disposição em forma de pirâmides invertidas Figura Esquema de um díodo de passagem (esquerda) Díodo de junção 1N Figura Junção p-n antes da difusão (esquerda, em cima), concentração de electrões e buracos, densidades de carga (direita, segundo gráfico), campo eléctrico (terceiro gráfico), potencial eléctrico (último gráfico) Figura Estrutura de uma célula de dupla junção (esquerda), Perfil característico dos níveis de dopagem Figura Diagrama energético com pormenor relativo à passagem de portadores de carga pela respectiva junção Figura Característica J-V de uma junção de passagem, valores simulados e ideais Figura Junção p-n composta com camada BSF (esquerda), Junção p-n composta sem camada BSF (direita) Figura Camadas e diagrama energético de uma janela de passagem, a Recombinação superficial é reduzida (esquerda), Camadas e diagrama energético de uma BSF, a dispersão de portadores é reduzida (direita) Figura 4.25.Eficiência Quântica Interna e Externa e Índice de Reflectância de uma célula de silício (direita), Eficiência Quântica de uma célula de silício com base nas tabelas AM1.5 medida acima dos 350 nm (esquerda) Figura Célula de dupla junção InGaP/GaAs com substrato de GaAs e respectiva EQE para as duas junções Figura Diagrama com os processos de Recombinação Nuclear Figura Cubo, sistema de eixos a três dimensões Figura Cargas dentro de uma superfície limitada por S Figura4.30. Diagrama de blocos descritivo do processo encadeado relativo às Equações de Continuidade Figura 5.1. Janela Principal de Edição de Materiais Figura 5.2. Pilha de junções p-n compostas 2D à esquerda e 3D à direita Figura 5.3. Editor com características das camadas Figura 5.4.CélulaInGaP/GaAs/InGaAs Figura 5.5. Propriedades Eléctricas, Físicas e Químicas da junção p-n composta condutora InGaAs xii

10 Figura 5.6. Fluxograma referente à inicialização do editor PS_Design Studio Figura 5.7. Janela Principal do editor PS_Design Studio Figura 5.8. Janela de Edição de camadas Figura 5.9. Janela de Edição das Ionizações de Impacto de Camadas Figura Janela de Edição de Níveis de Absorção Figura Espectro Solar ASTM G Figura Selecção de Curvas Características. 85 Figura 5.13.Célula de InGaP/GaAs/InGaAs editada em APDStudio. Perspectiva 2D (esquerda), Perspectiva 3D (direita) Figura Magnitude da Corrente Figura Diagrama Energético em Equilíbrio Térmico Figura Concentração de Portadores positivos e Negativos Figura Potencial em Equilíbrio (esquerda) e Desequilíbrio Térmico (direita) Figura Magnitude de Corrente segundo eixo dos x, 2D e 3D (cima), Magnitude de corrente segundo eixo dos y, 2D e 3D, Desequilíbrio Térmico Figura Diagrama Energético em DesequilibrioTérmico Figura Densidade Energética, Espectro (esquerda), 3D (direita) Figura EQE (External Quantum Efficiency) para as três junções p-n compostas condutoras xiii

11 Lista de Tabelas Tabela 1. Propriedades dos Principais Semicondutores com Aplicações Fotovoltaicas Tabela 2. Eficiências e Gap Energéticos para um Dado Número de Células Tabela 3. Elementos Formadores dos Compostos Semicondutores Tabela 4. Funções Aplicáveis a Células Fotovoltaicas xv

12 Nomenclatura Abreviaturas TW Terawatt MW Megawatt kwh Kilowatt hora US$ US dólar Si Silício a : Si Silício Amorfo µ Si Silício Microcratalino CdTe Telúrio de Cádmio CIGS Copper Indium Gallium Arsenide FER Fontes de Energia Renováveis I&D Investigação & Desenvolvimento c-si Cristal de Silício GaAs Índio Fósforo CuInSe Cobre Índio Selénio Ge Germânio AM Air Mass 2D Duas Dimensões 3D Três Dimensões SiO2 Dióxido de Silício TiO2 Dióxido de Titânio WKB Wentger Kramers Brillouin QE (λ ) Eficiência Quântica EQE Eficiência Quântica Externa IQE Eficiência Quântica Interna SRH Shockley Read Hall ARC Anti Reflective Coating CM Contacto Metélico xvi

13 LIFO Last In First Out Letras e símbolos Euro h c Constante de Planck, ^-34 Eg Gap Energético (ev) Rs Resistência Série (Ω ) Rp Resistência Paralelo (Ω ) Iph V I T I 01 Corrente Incidência Solar (A) Tensão Eléctrica ou Diferença de Potencial (V) Corrente de Carga (A) Temperatura (Kelvin) Corrente Eléctrica do Primeiro Díodo (A) I 02 Es Ss Ts W uur Q ur uur Ta uur Sg Tc Ec uur Sc f c uuur Eg q uuur S Ge uuur S Ga Corrente Eléctrica do Segundo Díodo (A) Fluxo Energético no Interior do Sol (Joule) Radiação Solar (Joule) Temperatura da Fotosfera Solar (considerada 6000ºK) Trabalho Útil (Joule) Energia Radiada para o Ambiente (Joule) Temperatura Ambiente (ºK) Fluxo de Entropia Temperatura do Painel (ºK) Fluxo Energético do Painel Fluxo de Entropia rejeitada para o Ambiente Factor de Proporcionalidade Energia Gerada (Joule) Carga do Electrão E-19 Entropia Gerada no Processo de Emissão Entropia Gerada no Processo de Absorção xvii

14 E Gn Energia Reflectida pela Célula Fotovoltaica (n) (Joule) E G( n + 1) Energia Reflectida pela Célula Fotovoltaica (n+1) Vbi( A ) (Joule) Potencial Intrínseco ao Material A (V) Vbi( B) E/F Ec Ev Potencial Intrínseco ao Material B (V) Campo Eléctrico (V/m) Descontinuidade Energia da Banda de Condução (Joule) Descontinuidade Energia da Banda de Valência (Joule) 12 Permeabilidade do Vazio ( 8, F / m ), xb, xa T Afinidades Electrónicas dos Semicondutores b e a Respectivamente Coeficiente Transmissão Energética L1, L2 Camadas Superior e Inferior numa Junção p-n Composta nl1, nl2 Espessuras das Camadas L1 e L2 ( µ m ) p, n Camadas Positiva e Negativa Respectivamente de Idep NA, ND J uma Junção p-n composta, nº de Buracos e Electrões, Respectivamente Corrente de Depleção (A) Níveis de Concentração para Aceitadores e Dadores, Respectivamente Densidade de Corrente 2 ( A/ m ) Jp D Jt Fc, Fv Valor Máximo para Densidade de Corrente na Junção de Passagem 2 ( A/ m ) Probabilidade de Passagem de Portadores de Carga na Junção de Passagem Corrente na Junção de Passagem Níveis de Condução e de Valência, Respectivamente 2 ( A/ m ) xviii

15 Egtunnel Egmiddlecell Jsc Gap Energético da Junção de Passagem (ev) Gap Energético da Junção p-n Central (ev) Corrente Total que Circula na Célula Fotovoltaica de Terceira Geração 2 ( A/ m ) Jsc1, Jcs2, Jsc3 Corrente que Circula nas Junções p-n 1, 2, 3, Di Vi Respectivamente 2 ( A/ m ) Espessura da Junção p-n Composta ( µ m ) Diferença de Potencial da Junção i (V) Voc Diferença de Potencial em Circuito Aberto (V k Un Rn Rp Gn Constante de Boltzman E-16 Recombinação Portadores Negativos Nível de Recombinação para Cargas Negativas Nível de Recombinação para Cargas Negativas Nível de Geração de Cargas Negativas 3 ( cm / s ) Gp Nível de Geração de Cargas Negativas 3 ( cm / s ) np, ne np0, ne0 t Ub-b b 2 ni UAuger USRH S N uur uur uur Jc, Jp, JT ur E Número de Buracos, Electrões Respectivamente Número de Buracos, Electrões em Equilíbrio, Respectivamente Quantidade de Tempo depois da qual uma Quantidade excessiva de Portadores minoritários Efectua Recombinação Recombinação Nível - a Nível Constante de Recombinação Nível - a Nível Produto de n por p Recombinação de Auger Recombinação de Shocley Read Hall Velocidade de Recombinação Superficial Concentração de Elementos Dopantes Densidade de Corrente de Electrões, Buracos e Total, Respectivamente 2 ( A/ m ) Vector Campo Eléctrico (V/m) xix

16 Dn, Dp Ei Constantes de Difusão de Electrões e Buracos Campo Eléctrico Intrínseco ao Próprio Material (V/m) Fn, Fp Níveis de Fermi para Electrões e Buracos, ND+, NA+ uur 0 n Respectivamente 2 S Área S ( m ) r r Vector Posição Dv Gn, Gp Número de Dadores e Aceitadores, Respectivamente Vector Normal ao Vector Campo Eléctrico Versor Unitário para a Área Rácios de Geração de Cargas Negativas e Positivas, Respectivamente 3 ( cm / s ) Rn, Rp NA, ND fa, fd Ntj Níveis de Recombinação para Electrões e Buracos, Respectivamente Concentração de Aceitadores e Dadores, 3 Respectivamente ( cm / s ) Frequências de Ocupação para Aceitadores e Dadores, Respectivamente Densidade da Armadilha numa Camada Condutora th j Profundidade da Armadilha ( µ m ) Rsp, Rst, Rau vsn, vsp Recombinações Espontânea, Estimulada e de Auger, Respectivamente Velocidades de Saturação para Electrões e Buracos (m/s) Caracteres gregos µ n Distribuição de Cargas Negativas por Unidade de 2 Potencial Eléctrico ( m /Vs) xx

17 µ p Distribuição de Cargas Positivas por Unidade de ρ ρ( r r ) ε 0 2 Potencial Eléctrico ( m /Vs) Densidade da Carga Distribuição de Cargas Contínuas Permeabilidade do Vazio E-34 µ e, s Potencial Químico ε g ε F, ε v, ε c φ,,, 0 φ p φn φf Quantum, Unidade Indivisível de Luz Níveis Energéticos de Fermi, Valência e Condução, Respectivamente Potenciais em Equilíbrio Térmico, para Buracos, para Electrões e para o Nível Fermi xxi

18 CAPÍTULO 1 - Introdução 1.1. Energias Renováveis O Sol disponibiliza grandes quantidades de energia, sendo a principal fonte de vida do planeta. Dinamiza correntes marítimas e o ciclo de evaporação de águas, definindo cursos de rios, provocando tornados e furacões. O terramoto de São Francisco de 1906, de magnitude 7,8 na escala de Richter, libertou uma 17 quantidade de energia estimada em 10 Joules de energia, energia equivalente à disponibilizada pelo Sol num segundo [1]. As reservas de petróleo estão estimadas em 3 triliões de barris, estando avaliados em 22 1,7.10 Joules, sendo esta a quantidade de energia produzida pelo Sol num dia e meio. Anualmente, a população mundial gasta um valor que anda por volta dos 20 4,6.10 Joule, valor que o Sol disponibiliza numa hora. Tudo isto para dizer que o Sol, disponibilizando continuamente 25 1,2.10 TW, produz muito mais energia que todas as outras fontes energéticas juntas, quer sejam renováveis ou não. É uma quantidade de energia muito superior à requerida pela população mundial, que se situa na ordem dos 13 TW [1]. Cobrindo 0.16% da superfície terrestre, com painéis solares fotovoltaicos com uma eficiência de 10%, teríamos disponíveis 20 TW de energia, cerca do dobro do consumo actual de combustíveis fósseis, incluindo também numerosas centrais de fissão nuclear [1]. Ainda assim, apenas uma pequena parte da energia solar disponível é utilizada directamente nos requisitos energéticos diários. Cerca de 80% - 85% da energia utilizada diariamente provêm de fontes não renováveis [1]. As ameaças ao clima e à qualidade de vida são as principais preocupações e razões para o desenvolvimento de alternativas viáveis e concretas. O crescimento exponencial e desenvolvimento incessante da sociedade já não se coadunam com apenas fontes energéticas não renováveis. Necessitamos de alternativas, não só para coadjuvar as fontes tradicionais, mas também para induzir uma substituição gradual das mesmas. 1

19 Existem diversas alternativas mas, ainda assim, a energia solar representa a parcela mais proeminente, devido à sua versatilidade, e a todo o conjunto de características que a tornam amiga do ambiente. A figura 1.1 apresenta a produção anual de petróleo, assim como a percentagem de crescimento anual e as perspectivas de declínio futuras. Figura 1.1. Produção anual de Petróleo [1] Portugal apresenta um elevado potencial solar, sendo um dos países da Europa com maior disponibilidade de radiação solar anual, variando entre 2200 horas e 3000 horas por ano, mas em certos países de menor potencial, no que toca ao aproveitamento de energia solar, como por exemplo a Alemanha (varia entre 1200 e 1700 horas), tem-se, ainda assim, uma política de aproveitamento de energias limpas muito superior ao nosso país como apresenta a figura 1.2. Figura 1.2. Energia Fotovoltaica por país, Perspectivas de crescimento da energia fotovoltaica [2] 2

20 O Plano de Acção Nacional para as Energias Renováveis em Portugal apresenta uma clara aposta no desenvolvimento da energia solar no nosso país para a produção de electricidade, (apresentando a vantagem de ser gerada nas horas de maior consumo) [2]. O incremento da capacidade instalada em energia solar eléctrica (para 1100 MW, em 2020), terá de ser acompanhada de avanços tecnológicos e ganhos em eficiência que resultem na redução dos custos das tecnologias associadas a esta fonte de energia. Cada watt de potência eléctrica fotovoltaica instalada em Portugal produziria cerca de 1,5 kwh/ano. Admitindo uma vida útil de 30 anos para os painéis fotovoltaicos, a energia total produzida por 1W de potência instalada será de 45 kwh, admitindo condições óptimas. Se atribuirmos ao quilowatt hora (kwh) produzido um valor de 0,10, o valor total da energia produzida será 4,5 euros para o tempo de vida útil [3], a figura 1.3 apresenta a previsão das perspectivas de crescimento em 11 anos, de 2009 até Figura 1.3. Energia Solar Fotovoltaica e Perspectivas de crescimento [2] 1.2. Tendências Os custos de produção e eficiência de conversão são ainda os principais pontos fracos, tendo em vista a introdução massiva da tecnologia e a adopção como principal fonte energética. Grande parte da investigação dedicada a esta área tem atingido resultados animadores e com perspectivas de futuro realistas. Novos métodos de captura e melhor aproveitamento do comprimento de onda do espectro de radiação solar, células de multijunção, novos materiais compostos, estão na base, e irão servir de rampa de lançamento a uma economia de escala, num futuro próximo. Teoricamente, o limite máximo para conversão energética nas células p- n de junção simples tem potencial para atingir 33% de eficiência, valor que se prevê a ser 3

21 atingido rapidamente. As figuras 2.3, 2.4 e 2.5 apresentam o aspecto final das células fotovoltaicas de primeira, segunda e terceira gerações respectivamente. A dita nova abordagem terá um impacto enorme na economia mundial, se forem desenvolvidos novos conceitos e novos métodos de fabrico, mais baratos e mais simples, tornando a tecnologia fotovoltaica uma das opções mais baratas e fiáveis na produção de energia limpa. A figura 1.4 ilustra os custos de produção por unidade de área das diferentes tecnologias, evidenciando o limite das eficiências de conversão das três gerações de células fotovoltaicas. A primeira geração de células fotovoltaicas é caracterizada pelos painéis solares de grandes 2 dimensões, eficiências moderadas e custos que rondam os US$150/ m (valor em dólares norte americanos referentes ao ano 2003), rondando os 20% de eficiência [4]. A segunda geração de células, vulgarmente conhecida pelo nome dado à estrutura aplicável, os chamados filmes 2 finos, apresentam custos de produção mais modestos, sendo cerca de US$30/ m com rendimentos diminutos (atinge-se hoje 5 10%)., mas ainda Figura 1.4. Eficiência e projecções de custos para as três gerações (I, II, III) (painéis, filmes finos, e filmes finos de terceira geração, respectivamente) [5] 1.3. Importância e Estrutura da Dissertação O processo natural em todas as áreas da ciência tem como objectivos principais o desenvolvimento de novas técnicas e a descoberta de processos mais rentáveis, não só a nível de melhoramentos técnicos mas também em termos de materiais utilizados. O mercado dos materiais essenciais ao desenvolvimento de células fotovoltaicas de terceira geração, tal como todos os equipamentos associados ao funcionamento da tecnologia, assim como de outras 4

22 fontes energéticas renováveis, pode vir a representar uma parcela importante na economia nacional. O objectivo deste projecto é explorar os conceitos teóricos que sustentam a mecânica de funcionamento de células fotovoltaicas de terceira geração assim como a simulação de uma célula fotovoltaica de multijunção, utilizando-se para isso um software dedicado. A célula fotovoltaica simulada será constituída por uma combinação de materiais específica de forma a ser comparada com células disponíveis para aplicações práticas. No segundo capítulo é feita uma abordagem ao estado-da-arte da tecnologia solar em Portugal, sendo identificadas algumas empresas da área com bons resultados no que toca à instalação de tecnologias solares. Ainda não existem pólos de desenvolvimento e produção massiva de painéis fotovoltaicos em território nacional. No terceiro capítulo aborda-se a temática que envolve o princípio-base de funcionamento de uma junção p-n simples, incidindo-se também nos tipos de células fotovoltaicas disponíveis no mercado da especialidade. No capítulo quatro, aborda-se detalhadamente toda a mecânica de funcionamento de células fotovoltaicas de terceira geração, dando especial atenção aos fenómenos termodinâmicos inerentes à transformação de energia solar em energia eléctrica, e à constituição e funcionamento de uma célula solar de tripla junção. O capítulo termina com a abordagem aos modelos matemáticos que descrevem o funcionamento de dispositivos semicondutores e que definem o seu comportamento em situações de equilíbrio e desequilíbrio térmico. No capítulo cinco são apresentadas as aplicações práticas e a modelização de uma célula solar de tripla junção, utilizando um software especializado, obtendo várias curvas características que descrevem o funcionamento de uma determinada célula de tripla junção. Finalmente no capítulo seis são apresentadas as principais conclusões e perspectivas de trabalhos futuros. 5

23 6

24 CAPÍTULO 2 Energia Solar 2.1. Conversão de Energia Solar em Electricidade Chama-se efeito fotovoltaico ao processo de conversão de energia solar em energia eléctrica. Esta conversão consiste em duas fases principais. A geração de um par electrão-buraco advém da absorção de luz solar; o electrão e o buraco são separados pela estrutura da junção; os electrões são atraídos para o lado negativo da estrutura e os buracos para o positivo, criando, desta forma, um campo eléctrico, o que origina uma diferença de potencial. A figura 2.1 mostra três esquemas que apresentam a estrutura física de uma junção p-n simples quando submetida a iluminação, e onde é possível observar-se o fluxo e distribuição de portadores de carga. Apresenta-se também o aspecto real de uma célula solar, e os diagramas energéticos característicos do funcionamento da célula em equilíbrio térmico (no escuro) e desequilíbrio térmico (iluminada). Este processo irá ser analisado com maior detalhe no capítulo cinco. Figura 2.1 Estruturas físicas de uma junção p-n simples (diagrama energético) (cima à esquerda), aspecto real de uma célula fotovoltaica (baixo), Distribuição de electrões, buracos na estrutura sob iluminação (direita em baixo) 7

25 2.2. Novas Gerações de Células Fotovoltaicas, Generalizações Ainda assim, do ponto de vista da engenharia, o melhoramento dos índices de eficiência é um dos principais desafios e fontes de pesquisa. Actualmente, grande parte da investigação é direccionada a aumentar os níveis de eficiência, desde o aparecimento e descoberta de formas inovadoras de aproveitamento mais eficaz do espectro electromagnético, a partir das células de multijunção, até à adopção de novos materiais. Tudo são caminhos a seguir, de forma a dar à energia solar um lugar de maior destaque como fonte de energia. Figura 2.2. Eficiências de células fotovoltaicas testadas em laboratório [1] As células fotovoltaicas estão divididas em três grandes grupos, três gerações, de acordo com a sua eficiência. Estão a ser realizados esforços para melhorar a sua eficiência, enquanto a primeira geração de células fotovoltaicas domina a produção comercial, com cerca de 89,7% em 2007 [1]. A construção baseada na junção p-n simples de silício, painel colector montado numa estrutura metálica, com rendimentos de conversão que rondam os 20% são as características principais dos painéis solares de primeira geração e, apesar dos custos de produção ainda serem bastante elevados, não se prevê um abrandamento na sua comercialização, sendo que o próximo desafio se prende com a simplificação a partir de 8