Luiz Celso Gomes Torres. Professor Petrônio Noronha de Souza

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1 CÉLULAS SOLARES PARA USO ESPACIAL Luiz Celso Gomes Torres (Maio-2012) Professor Petrônio Noronha de Souza 1

2 Resumo 1 Efeito Fotovoltaico 2 Histórico 3 Produção e pesquisa do Brasil 4 Comparativo entre tecnologias mais utilizadas 5 Componentes da célula Solar de voo (SCA) 6 Processos de qualificação 7 Geradores solares dos Satélites INPE 8 Dados completos das células l solares para projeto 9 Conclusão 2

3 1 - Efeito Fotovoltaico 1.1 Significado do termo O termo fotovoltaico é formado pelo composição de outras duas palavras: FOTO - Derivada da palavra grega empregada para luz. VOLT - Relacionando-se a Alessandro Volta, um dos pioneiros do estudo dos fenômenos elétricos. Portanto, o termo FOTOVOLTAICO poderia literalmente ser traduzido como: LUZ - ELETRICIDADE 3

4 1 - Efeito Fotovoltaico 1.2 Processo de geração de energia pelo Efeito Fotovoltaico Ao se montar um dispositivo com a união dos cristais do tipo NeP, forma-se uma junção na qual haverá uma difusão de elétrons e lacunas. Eles se neutralizam, formando um campo elétrico. O efeito fotovoltaico é caracterizado pelo aparecimento de uma diferença depotencial quando esse dispositivo é submetido a uma iluminação. No momento em que a luz incidir na célula haverá a formação de pares elétronslacunas. É necessária uma estrutura apropriada, em que os elétrons excitados fluam do lado P para o lado N e possam ser coletados, gerando uma corrente elétrica. Campo elétrico criado Circulação de corrente pela célula 4

5 2 - Histórico i Edmond Becquerel, físico francês, observou pela primeira vez o efeito fotovoltaico, ele notou que placas de platina ou de prata, mergulhadas em um eletrólito produziam uma diferença de potencial quanto expostas à luz. 5

6 2 - Histórico i 1876 Willian Grylls Adams, professor de Filosofia e seu aluno Richard Evans Day, ingleses, desenvolveram o primeiro dispositivo sólido que produzia eletricidade por meio do efeito fotovoltaico. Tratava-se de um filme de selênio depositado d numsubstrato de ferro e com um segundo filme de ouro que servia de contato frontal. A eficiência desse dispositivo era em torno de 0,5% Charles Fritts, cientista americano, produz uma célula solar de selênio com uma camada fina de ouro. Alto custo e baixa eficiência (em torno de 1%) foram impeditivos para a utilização como fonte de energia em grande escala. Os estudos nessa área continuaram, por outros renomados cientistas, porém, sem grandes conquistas. Os grandes desenvolvimentos científicos da primeira metade do século XX, como a explicação do efeito fotoelétrico por Albert Einstein, em 1905, o entendimento das propriedades dos semicondutores, deram um impulso no desenvolvimento da tecnologia. 6

7 2 - Histórico i Calvin Fuller, Gerald Pearson e Daryl Chapin (Bell Labs), em New Jersey, nos Estados Unidos, desenvolveram um processo de difusão onde introduziram impurezas em cristais de silício (processo chamado dopagem ). Produziram uma barra de silício dopado com uma pequena concentração de gálio, que o torna condutor, sendo as cargas móveis positivas (chamado silício do tipo P ). Mergulhou esta barra de silício num banho quente de lítio, criando assim na superfície da barra uma zona com excesso de elétrons livres (chamado silício do tipo N ). Na região onde o silício tipo n fica em contato com o silício tipo P surge um campo elétrico permanente. Ao caracterizarem eletricamente esta amostra, verificaram que produzia uma corrente elétrica quando exposta à luz. Essa célula, indicava incialmente uma eficiência em torno de 4%. 7

8 2 - Histórico i Essa célula apresentava grande dificuldade de soldagem dos contatos elétricos, aumentando muito a resistência séria da célula. Outro problema encontrado era que o lítio migrava para o interior do silício e deixava a zona ativa da célula inacessível aos fótons da radiação solar, diminuindo a eficiência. Partiram então para uma solução de fósforo na dopagem do silício tipo N, obtendo uma junção mais estável, porém ainda persistia o problema dos contatos. Substituindo o gálio por arsênio seguido por uma difusão de boro. O problema dos contatos foi minimizado e a eficiência atingiu 6%. 8

9 2 - Histórico i Patente da 1 célula solar Ainda em 1954, diante dos resultados apresentados, houve a autorização do pentágono e então surgiu a publicação da primeira célula solar, na reunião anual da National Academy of Sciences, em Washington. Os resultados foram publicados no Journal of Applied Physics, e foi registrada uma patente. A demonstração pública do uso da pilha solar consistiu numa transmissão via rádio de algumas palavras entre D. E. Thomas e Morton Prince usando um sistema portátil alimentado por célula l solar. Em 1955, a primeira aplicação foi realizada no estado da Geórgia, para alimentar uma rede telefônica local. Um Painel montado em out/1955 e removido em mar/1956. Primeira aplicação pública da célula solar 9

10 2 - Histórico i Em 17 de março de 1958, depois de muita relutância da NASA, por não acreditar no dispositivo, o primeiro satélite alimentado com energia solar (como back-up da pilha convencional) foi lançado (Vanguard I USA). O seu sistema fotovoltaico tinha seis células solares para alimentar os transmissores e funcionou até A corrida espacial já havia se iniciado com o lançamento do primeiro satélite artificial (Sputnik 1, out/1957) apenas com baterias químicas. Cientista com um protótipo do Vanguard I A pilha convencional falhou, mas o painel solar manteve o transmissor funcionando muito além das expectativas 10

11 2 - Histórico i Naquele mesmo ano de 1958 foram lançados os satélites Explorer III, Vanguard II e Sputnik 3 ( soviético) com células solares de silício a bordo, porém, as células ainda não eram a fonte primária de energia. Explorer III Vanguard II Sputinik 3 11

12 2 - Histórico i Os primeiros satélites com gerador solar como fonte primária de energia foram os Explorer VI e VII. Em outubro de 1959 é lançado o Explorer VII com gerador solar de 3000 células Em agosto de 1959 o satélite Explorer VI é lançado com um gerador solar de 9600 células ( 1 cm x 2 cm cada). Através dele foi tirada a primeira imagem da terra 12

13 2 - Histórico O estágio tecnológico da célula de Silício havia alcançado praticamente seu topo. Ao longo dos anos, várias melhorias foram incorporadas: junção rasa, material de silício de alta pureza (99,999999%), crescimento do monocristal por fusão lenta de camadas gerando pouquíssimos defeitos, espelho de alumínio na face anterior, campos elétricos adicionais e deposição metálica por feixedeelétrons, entre outras. Esses incrementos tecnológicos no dispositivo resultaram em um aumento da eficiência desse tipo de célula solar de 10% na década de 1960 para valores em torno de 20% nos dias atuais. melhor texturização modificações na camada n ( Passivated emitter ) criação de sulcos na camada n ( Laser grooving ) ambos contatos na parte traseira início i 13

14 2 - Histórico i No final dos anos 80 células de Arseneto de Gálio foram fabricadas e atingiram eficiência superior a 20%. Os cientistas calculavam que o limite de eficiência teórica a ser obtida por uma célula homojunção seria de 24%, com a máxima otimização possível. Estrutura da célula de Arseneto de Gálio Então, á partir dos anos 90, foi necessário o desenvolvimento de novas tecnologias. O uso de células multijunção trouxe grande aumento na eficiência. As células de duas junções utilizando Arseneto de gálio com índio foram os primeiros estudos que atingiram boa eficiência. 14

15 2 - Histórico i A técnica de multijunções atenua o problema da perda de energia quando um fóton de energia maior do que a energia do semicondutor é absorvido pela célula solar de uma junção. Nas células solares de uma junção, esse excesso é uma perda de energia convertida em calor e diminui a eficiência da célula solar. Nas células solares de múltiplas junções tem-se cada junção como uma janela, que absorve parte do espectro e deixa passar as restantes t para a outra junção. Dessa maneira, esse espectro é mais bem aproveitado. Aproveitamento da luz solar em 1 célula de 3 junções Em 1995 já havia disponível no mercado para uso espacial célula de 3 junções com eficiência superior a 20%. 15

16 2 - Histórico i Hoje já estão sendo disponibilizadas células de tripla junção de terceira geração, qualificadas para uso espacial, com eficiência iê i em torno de 29,5%: ZTJ Solar cell - Emcore XJT Solar cell - Spectrolab 16

17 2 - Histórico i Células solares com mais de três junções também estão em desenvolvimento/qualificação e, provavelmente, dentro de pouco tempo serão comercializadas para uso espacial. 6 junções Evolução Aproveitamento da espectro solar para as Células de 4 junções 17

18 2 - Histórico i Um recente estudo nessa área é o desenvolvimento de células solares de tripla junção com estrutura de montagem invertida, chamadas IMM ( Inverted Metamorphic Solar Cell ). Essa tecnologia possibilita alcançar valores eficiência maiores e são mais resistentes a radiação. 18

19 2 - Histórico i Uma tecnologia muito estudada hoje são as chamadas células de filme fino ( Thin film solar cell ). Essa células são mais flexíveis, porém de baixa eficiência. Atualmente são utilizadas para uso terrestre, porém devido a pouca massa e flexibilidade, deverão ser utilizadas em missões espaciais no futuro. Células orgânicas sensibilizadas por corantes ( Dye-sensitized solar cells) CIGS (Copper Indium Gallium diselenide) Cadmium Telluride (CdTe) Flexibility Amorphous Silicon 19

20 2 - Histórico i Como pode ser notado na curva de evolução de eficiência, mostrada abaixo, a nova tecnologia de filme fino ainda precisa de avanços tecnológicos para atingir eficiências melhores e, principalmente, resistência para ambiente espacial. 20

21 3 - Pesquisa e produção do Brasil 3.1 Experimento Célula solar Experimento Célula Solar (ECS) no painel lateral do satélite SCD1 Satélite em órbita (simulação) e indicação do Albedo Solar No Brasil foram desenvolvidos o que se denominou experimentos célula solar (fabricado com células de silício monocristalino). Os experimentos foram colocados nos satélite SCD1 e SCD2 para estudo da degradação das células solares por partículas ionizantes e estudo do Albedo planetário (luz refletida pelo planeta) para interpretação t de mudanças climáticas no Brasil. As células l foram desenvolvidas por pesquisadores do INPE com a infraestrutura do Laboratório de Microeletrônica da USP, em São Paulo. 21

22 3 - Pesquisa e produção do Brasil 3.2 Experimento Célula solar (resultados) As telemetrias de corrente do satélite, juntamente com o experimento célula solar foram fundamentais para os cálculos da degradação do painel solar dos satélites SCD1 e SCD2. Degradação da corrente fotogerada no SCD1 em 18 anos. Fonte: Baruel, M. Ferreira, 2012 Estudo da variação da corrente fotogerada nos painéis solares dos satélites do INPE Degradação da corrente fotogerada no SCD2 em 07 anos. 22

23 4 - Comparativo 4.1 Evolução do uso da potência consumida Comparativo entre os tipos de células solares para uso espacial: Linha de tendência da potência elétrica no espaço. 23

24 4 - Comparativo 4.2 Comparativo entre tecnologias disponíveis Múltiplas junções são mais eficientes e mais resistentes a radiação. Células de Silício tem espessura inferior, portanto são mais leves Fonte: Navid S. Fatemi Solar Array Trades Between Very High-Efficiency Mutli-Junction And Si Space Solar Cells 24

25 4 - Comparativo Células de Silício por serem menos eficientes necessitam maior área de painel O custo da célula nua (Bare Cell) por unidade de potência é menor. Do ponto de vista do painel, a diferença de massa específica inverte em favor das células de mais junções. Isso ocorre devido à outros componentes, tais como: mecanismos, cabos, substrato, adesivos, testes, t coverglass etc.). O custo por unidade de potência das células l de várias junções se torna mais vantajoso. mil (define espessura) 1 mil = 0,0254 mm Fonte: Navid S. Fatemi Solar Array Trades Between Very High-Efficiency Mutli-Junction And Si Space Solar Cells 25

26 5 - Componentes Básicos 5.1 Composição da Célula solar SCA vista lateral Quando nos referimos às células solares para uso espacial, usamos a denominação SCA (Solar Cell Assembly). OSCA éauniãodacélula solar nua, cobertura de vidro e interconectores. As células de múltiplas junções possuem também um diodo de proteção integrado. SCA vista superior SCA vista superior 26

27 5 - Componentes Básicos Células Solares nuas (Bare Cell) São dispositivos semicondutores capazes de converter a energia solar diretamente em energia elétrica. Células solares para uso espacial são fabricadas utilizando rígidos controles de processos de fabricação e da qualidade, o que as tornam capazes de suportar largos extremos de temperatura e outros fatores de degradação inerentes ao ambiente espacial. InGaP/GaAs/Ge Tipos de Células Comercialmente Utilizadas em Projetos Espaciais Silício Monocristalino Arseneto de Gálio Dupla Junção Ti Tripla Junção 27

28 5 - Componentes Básicos Cobertura de Vidro ( Coverglass ) Lâminas transparentes de vidro borosilicato, dopadas com Dióxido de Cério. As espessuras mais utilizadas variam de 50um a 500um. São utilizados para: Proteger as células solares contra a radiação de partículas (prótons e elétrons) presentes no ambiente espacial; Proteger as células contra o oxigênio monoatômico presente em órbitas baixas; Filtrar a radiação ultravioleta, a qual provoca a degradação do adesivo utilizado para a sua colagem na célula. Minimizar as perdas por reflexão da radiação solar incidente; Minimizar a absorbância e maximizar a emitância das células solares visando reduzir a temperatura de operação. 28

29 5 - Componentes Básicos Interconectores Elementos condutores elétricos, utilizados para realizar as interligações em série entre as células de um módulo solar. Interconector satélite Amazonia 1 Coverglass Célula Solar Interconector Interconector satélite Lattes Interconectores satélite CBERS4 Requisitos gerais: boa condutividade elétrica; soldagem (PbSn, ultrasonic welding ); flexibilidade e resistência à fadiga; baixos níveis de tensões de natureza termomecânica nas juntas soldadas; 29

30 5 - Componentes Básicos Diodo de bypass São elementos utilizados para proteção da célula solar caso venha a sofre polarização reversa. Isso pode ocorrer quando as células são colocadas em série/paralelo. São mais comumente usados nas células de múltiplas junções por serem mais sensíveis a correntes reversas. Diodo externo Esquemático de célula de 3 junções com diodo bypass O diodo pode ser inserido no processo de fabricação ou soldado depois. 30

31 6 - Processos de qualificação 6.1 Requisitos de qualificação para uso espacial Para a qualificação dos SCA s para uso espacial, uma diversidade de testes são necessários. A certificação só será obtida após satisfazer os critérios de aceitação estabelecidos nos testes. 31

32 6 - Processos de qualificação 6.2 Requisitos de qualificação para painéis solares dos satélites INPE O INPE executa um plano de qualificação para o Gerador solar. Estes testes visam principalmente verificar possíveis problemas de fabricação (resistência de contatos, isolamentos, alteração em características elétricas, mecânicas e outros. Matriz de inspeção e testes para o Gerador solar dos satélites CBERS 3&4 CIC-N célula com conector frontal CIC-P célula com conector traseiro CIC-NP célula l c/ ambos conectores TCM cupom de teste MV modelo de voo 32

33 7 - Geradores solares dos Satélites INPE Satélites Fabricados/em produção Sucesso Falha Em produção SCD SCD 2A SCD AMAZONIA 1 SACI SACI SATEC LATTES CBERS CBERS CBERS 2B CBERS 3 33

34 7 - Geradores solares dos Satélites INPE SCD 1 Células de Silício (15% efic.) Lançamento Fev/93 Células Solares fabricadas pela Spectrolab (USA) Célula Solar (SCA) Cupom de Teste Potência 110 W (BOL) 2196 células Configuração Orbital 34

35 7 - Geradores solares dos Satélites INPE SCD 2A Células de Silício (15 % efic.) Lançamento Nov/97 - Falha Células Solares fabricadas pela Spectrolab (USA) Configuração Orbital Potência 120 W (BOL) 2196 células Célula Solar (SCA) Devido a falha na ignição de um dos propulsosres do veículo lançador (VLS), teve de ser destruído após 65 segundos de voo 35

36 7 - Geradores solares dos Satélites INPE SCD 2 Células de Silício (15% efic.) Lançamento Out/98 Células Solares fabricadas pela Spectrolab (USA) Configuração Orbital Potência 120 W (BOL) células Concepção Artística Célula Solar (SCA) 36

37 7 - Geradores solares dos Satélites INPE SACI 1 Células de Arseneto de Gálio (AsGa) (19% efic.) Lançamento Out/99 - Falha Células Solares fabricadas pela EEV Limited (Inglaterra) Configuração Orbital Potência 150 W (BOL) células l (8 cm 2 ) Em Testes Lançado junto com o CBERS1, falhou ao entrar em órbita 37

38 7 - Geradores solares dos Satélites INPE SACI 2 Células de Arseneto de Gálio (AsGa) (19% efic.) Lançamento Dez/99 - Falha Células Solares fabricadas pela EEV Limited (Inglaterra) Potência 150 W (BOL) 732 células l (8 cm 2 ) Configuração Orbital Devido a falha no sistema pirotécnico do 2 estágio do veículo lancador (VLS), teve de ser destruído Em Testes 38

39 7 - Geradores solares dos Satélites INPE CBERS 1 Células de Silício (13% efic.) Lançamento Out/99 Configuração de Lançamento Células Solares fabricadas pela SISP (China) Potência 1100 W (BOL) células (8 cm 2 ) Configuração Orbital 39

40 7 - Geradores solares dos Satélites INPE CBERS 2 Células de Silício (13% efic.) Lançamento Out/03 Células Solares fabricadas pela SISP (China) Configuração de Lançamento Potência 1100 W (BOL) células (8 cm 2 ) Em Testes 40

41 7 - Geradores solares dos Satélites INPE CBERS 2B Células de Silício (13% efic.) Lançamento Set/07 Configuração de Lançamento Células Solares fabricadas pela SISP (China) Potência 1100 W (BOL) células (8 cm 2 ) Configuração Orbital Cupom de Teste 41

42 7 - Geradores solares dos Satélites INPE CBERS 3&4 Células Tripla Junção (InGaP/GaAs/Ge) Lançamento 2012 (CBERS3) / 2014 (CBERS4) (26% efic.) Célula Solar (SCA) Células Solares fabricadas pela SISP (China) Potência 2400 W (BOL) 9162 células (12 cm 2 ) Configuração Orbital Cupom de Teste 42

43 7 - Geradores solares dos Satélites INPE SATEC Células de Silício (13% efic.) Lançamento Ago/03 - Falha Configuração Orbital Células Solares fabricadas pela SISP (China) Potência 20 W (BOL) 1200 células ( 8 cm 2 ) Em Testes Foi destruído na plataforma de lançamento, devido à explosão do Veículo Lançador de Satélite, de 3 dias antes do lançamento 43

44 7 - Geradores solares dos Satélites INPE Amazonia 1 Células de Tripla junção (InGaP/GaAs/Ge) Lançamento 2013 (previsão) (27% efic.) Modelo de Qualificação Células Solares fabricadas pela EMCORE (USA) Potência 1100 W (BOL) Célula Solar (SCA) 1584 células (26,6 cm 2 ) Cupom de Teste Concepção Artística 44

45 7 - Geradores solares dos Satélites INPE LATTES Células de Tripla junção (InGaP/GaAs/Ge) Lançamento 2017 (previsão) Células Solares fabricadas pela CESI (Itália) Potência 1100 W (BOL) 1584 células (26,6 cm 2 ) (27% efic.) Concepção Artística Cupom de Teste Célula Solar (SCA) 45

46 7 - Geradores solares dos Satélites INPE Satélite INPE Propostas Síntese das missões propostas p para o período Fonte: Plano diretor INPE

47 7 - Geradores solares dos Satélites INPE Síntese das missões propostas para o período (detalhamento) Fonte: Plano diretor INPE

48 8 - Dados completos da célula solar para projeto 8.1 Parâmetros para projeto Quando nos referimos à geradores solares para satélites (de médio e grande portes), nos dias atuais, tratamos de um complexo sistema com milhares de SCA s distribuídos em módulos. Os módulos são formados por células colocadas em série para gerar a tensão necessária e strings em paralelo para gerar correntes. Os projeto deverá levar em conta a produção de energia nas piores condições que o satélite iá irá enfrentar, no fim de sua projetada vida. Portanto alguns parâmetros do comportamento dos SCA s deverão ser fornecidos para os cálculos, l tais como: Parâmetros principais (Isc / Imp / Voc / Vmp) medidos em laboratório ( 28 C, 1353 W/m 2 ) Variação c/ a radiação Variação c/ a temperatura. t Eficiência 48

49 8 - Dados completos da célula solar para projeto Células de Silício Monocristalino (Si) 49

50 8 - Dados completos da célula solar para projeto Células de Arseneto de Gálio (GaAs/Ge) 50

51 8 - Dados completos da célula solar para projeto Células de Arseneto de Gálio (GaAs/GaAs) 51

52 8 - Dados completos da célula solar para projeto Células de Múltiplas Junções (GaInP/GaAs) ( Dual Junction ) 52

53 8 - Dados completos da célula solar para projeto Células de Múltiplas Junções ( Triple Junction ) 53

54 9 - Conclusão 1 - Células solares são fontes de energia primárias fundamentais para os satélites 2 - A tecnologia utilizada vai depender de alguns fatores como: - Massa disponível do painel solar - Potência necessária para a missão - Custo - Área disponível no painel - Tempo de vida esperado /confiabilidade ( efeito radiação) - Capacidade de produzir painéis solares com as tecnologias envolvidas 54