Fabricação de Células Solares e Módulos Fotovoltaicos

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Isaac Lorenzo Sampaio Faro
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1 Fabricação de Células Solares e Módulos Fotovoltaicos Adriano Moehlecke Centro Brasileiro para Desenvolvimento da Energia Solar Fotovoltaica Núcleo Tecnológico de Energia Solar - Faculdade de Física Programa de Pós-Graduação em Engenharia e Tecnologia de Materiais Pontifícia Universidade Católica do Rio Grande do Sul SUMÁRIO A. CÉLULAS E MÓDULOS FOTOVOLTAICOS B. PRODUÇÃO MUNDIAL E TECNOLOGIAS C. FABRICAÇÃO DE MÓDULOS FOTOVOLTAICOS D. SILÍCIO: PROBLEMAS E SOLUÇÕES E. BRASIL: ESTRATÉGIAS PARA O DESENVOLVIMENTO F. MENSAGEM FINAL 1

2 A. CÉLULAS E MÓDULOS CÉLULA IDEAL - Alta absorção - Elevada coleta de portadores de carga - Baixo custo de fabricação: célula seca - Matéria prima renovável/ abundante e barata A. CÉLULAS E MÓDULOS FOTOVOLTAICOS Célula Solar: Perdas 2

3 A. CÉLULAS E MÓDULOS FOTOVOLTAICOS Célula Solar: Perdas A. CÉLULAS E MÓDULOS FOTOVOLTAICOS Módulo Fotovoltaico: Células Associadas Dispositivo com proteção a choques térmicos, mecânicos, ambientes salinos, umidade e alta durabilidade. 3

4 A. CÉLULAS E MÓDULOS FOTOVOLTAICOS Materiais e Tecnologias - Silício cristalino monocristalino, multicristalino, fitas, filmes - Silício amorfo - GaAs e compostos III-V - CdTe - CIS CuInSe 2 - Polímeros - Corantes A. CÉLULAS E MÓDULOS FOTOVOLTAICOS Materiais e Tecnologias Silício cristalino, diversas tecnologias de fabricação Serigrafia/ Difusão de fósforo Contatos enterrados /Difusão de fósforo e alumínio Bifacial/ Difusão de fósforo e boro 4

5 A. CÉLULAS E MÓDULOS FOTOVOLTAICOS Silício cristalino: PUCRS/UFRGS: 17%, silício Cz USP: 17%, silício FZ e Cz UNICAMP: 16%, com Si-Cz; 13% com Si-multi; 5% com Si purificado nacional HELIODINÂMICA, 1980, capacidade 1 MWp Silício amorfo hidrogenado: USP, UNICAMP (7%) Silício policristalino: CETEC-MG CdS/CdTe: IME, 4,5%, 1º módulo de CdS/Cu 2 S em 1985 Corantes: IQ/USP, UFC Tecnologias Nacionais Polímeros: UNICAMP-1,5%, UFPE, UFPR IME B. Produção Mundial e Tecnologias MW

6 B. PRODUÇÃO MUNDIAL E TECNOLOGIAS Materiais / Tecnologias Si - Lâminas 90,9% c-si mono c-si multi CdTe a-si CIS Si filmes C. Fabricação de Módulos Fabricação das Células 6

7 C. FABRICAÇÃO DE MÓDULOS FOTOVOLTAICOS Fabricação do Módulo C. FABRICAÇÃO DE MÓDULOS FOTOVOLTAICOS Distribuição dos Custos Módulo 38% Lâmina de Si 31% Célula 31% 7

8 C. FABRICAÇÃO DE MÓDULOS FOTOVOLTAICOS Materiais Utilizados no Processamento US$ 1,00 Lâmina de Si US$ 1,00 US$ 1,25 Célula Módulo Produtos Químicos Gases Dopantes (POCl 3, filmes ) Vidro temperado com baixa quantidade de Fe EVA de alta transparência com aditivos UV Alumínio Filme Plástico Branco Fitas de Cu/Ag Sn/Ag para soldagem C. FABRICAÇÃO DE MÓDULOS FOTOVOLTAICOS Materiais Utilizados no Processamento Processo Convencional 2,2 2,4 Gases e PQ alto custo 10,1 Processo Convencional 2,6 8,7 Gases e PQ baixo custo Processo Rápido 0,02 2,9 Gases e PQ alto custo Processo Rápido 0,02 5,3 Gases e PQ baixo custo 15, ,6 52,1 66,8 85,3 81, Percentual do Custo Total (%) Produtos Químicos (PQ) Energia Elétrica Gases Lâminas 8

9 D. SILÍCIO: PROBLEMAS E SOLUÇÕES 13 de abril de 2005, Agência Reuters Falta de silício pode barrar expansão de energia solar Os principais executivos do setor de energia solar expressaram temores hoje quanto à possibilidade de que o excelente crescimento de sua ind se estagnar devido a uma escassez de poli-silício. Os fabricantes de poli-silício estão desenvolvendo formas de se produzir células solares mais baratas, que não precisam de materiais tão puros quanto os usados nos chips. Porém, a produção em quantidade deve demorar ainda alguns anos. D. SILÍCIO: PROBLEMAS E SOLUÇÕES Crescimento da Demanda de Silício (x1000 Toneladas) Si off-spec Déficit de Si Demanda

10 D. SILÍCIO: PROBLEMAS E SOLUÇÕES Silício Grau Solar Si-Metálico fi Purificação fi Si-GS - Crescimento da indústria de módulos fotovoltaicos requer suprimento de Si; toneladas nos próximos 10 anos; - Material deverá ter qualidade suficiente para produzir células de alta eficiência; - Meta de Custo: dólares/kg - Esforços conjuntos + apoio governamental. D. SILÍCIO: PROBLEMAS E SOLUÇÕES Silício Grau Solar: Eficiência - Material deverá ter qualidade suficiente para produzir células de alta eficiência. - Célula de 100 cm 2 ;eficiência de 15% - US$3,25/W - 15,6% - 50% de redução de custos na lâmina; - US$2,74/W eficiência = + 26,5% - 50% de redução de custos na - US$4,11/W lâmina; eficiência de 10% 10

11 D. SILÍCIO: PROBLEMAS E SOLUÇÕES Silício Grau Solar: Rotas Alternativas Química Hemlock Wacker Chemie ASiMI/REC (SGS) Tokuyama Degussa/Solar World Metalúrgica Elkem ECN Crystal Systems CETEC-MG UNICAMP IPT- SP E. BRASIL: ESTRATÉGIAS A encruzilhada: qual material / tecnologia? MADURA Silício cristalino Confiabilidade, durabilidade, equipamentos disponíveis, plantas de fabricação modulares, experiência em pesquisa e na indústria, disponibilidade de matéria-prima com rotas alternativas, recuperação da energia (2-3 anos) PESQUISA BÁSICA E/OU AVANÇADA - Filmes finos de CdTe e CIS - Filmes de silício policristalino - Corantes, polímeros e nanoestruturas 11

12 E. BRASIL: ESTRATÉGIAS PARA DESENVOLVIMENTO Pesquisa Básica e Aplicada CÉLULAS SOLARES - Células solares em silício fi alta eficiência e baixo custo: materiais de menor custo, Si-Grau Solar, redução na espessura - Filmes finos: CdTe, CIS, filmes de silício, corantes, polímeros: alcançar eficiências de 10% SILÍCIO GRAU SOLAR - Rota metalúrgica e rota química avançar em pesquisa e desenvolvimento e produzir em escala piloto. E. BRASIL: ESTRATÉGIAS PARA DESENVOLVIMENTO Unidades de Produção Piloto Desenvolvimento do processo industrial Instalação e automação de equipamentos industriais Eficiência de dispositivos de grande área Eficiência de produção Cálculo de custos em função da tecnologia Estabelecimento da cadeia de fornecedores e busca de materiais nacionais Formação de recursos humanos Produção de silício suficiente para testes/análises. 12

13 E. BRASIL: ESTRATÉGIAS PARA DESENVOLVIMENTO Planta-Piloto de Produção de Módulos Governo Empresas Universidades Empresas Líderes Financiadores E. BRASIL: ESTRATÉGIAS PARA DESENVOLVIMENTO Ações Coordenadas - Governo Silício Célula Módulo Sistema IPT UNICAMP CETEC-MG PUCRS UNICAMP USP CETEC-MG PUCRS Envolver indústrias e grupos de investidores. CEPEL PUCMINAS PUCRIO PUCRS UFRGS USP 13

14 F. MENSAGEM FINAL A criança cresce... F. MENSAGEM FINAL e qual o futuro desta criança? Os próximos anos dirão... 14

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