CÉLULAS SOLARES: MATERIAIS PARA ENERGIA RENOVÁVEL Profa. Clarissa A. Olivati DF-UNESP-Presidente Prudente
O termo Fotovoltaico e formado pela junção de duas palavras: Foto Luz Voltaico Volt
O efeito fotovoltaico foi observado pela primeira vez em 1839 Na área anódica se processa a corrosão e ocorrem reações de oxidação, sendo a principal a de passagem do metal da forma reduzida para a forma iônica. 1839 Reação anódica Edmond Becquerel (1820-1891) Henri Becquerel 1852-1908 (um dos descobridores da radioatividade.)
Inventores norte americanos, W. G. Adams e R. E. Day Propriedades fotocondutores do Selênio Final do século XIX Eficiência da ordem de 0,5% 1877 Tratava-se de um filme de selênio depositado num substrato de ferro e com um segundo filme de ouro, semitransparente, que servia de contato frontal. Werner Siemens 1816-1892 Comercializou células de Selênio como fotómetros para máquinas fotográficas.
A história da energia fotovoltaica teve de esperar os grandes desenvolvimentos científicos da primeira metade do século XX Efeito fotoelétrico Física dos semicondutores Mecânica quântica Teoria de bandas 1953 Efeito fotoelétrico por Albert Einstein em 1905
O NASCIMENTO: A PRIMEIRA CÉLULA SOLAR MODERNA Processo de difusão para introduzir impurezas em cristais de Silício, de modo a controlar as suas propriedades eléctricas (um processo chamado dopagem ). Março de 1953 Calvin Fuller 1902-1994 Químico (Bell Labs) Dopagem de Silício com átomo de Fosforo Tipo n Dopagem de Silício com átomo de Índio dopagem Junção p-n Tipo p Gerald Pearson
Engenheiro Daryl Chapin eficiência máxima que conseguira era bem inferior a 1%. Físico Gerald Pearson a eficiência de conversão era de cerca de 4%, muitas vezes maior do que a melhor célula de selénio Março de 1953 Químico Calvin Fuller Calvin Fuller prepara uma amostra de Silício dopado com arsénio para a colocar num forno de difusão de modo a criar uma junção p-n. Foi então que Fuller substituiu o gálio por arsénio (formando um substrato do tipo n) seguido por uma difusão de boro (formando uma zona do tipo p à superfície). As novas células podiam agora ser facilmente soldadas e revelaram uma eficiência recorde, atingindo 6%.
A primeira célula solar foi apresentada na reunião anual da National Academy of Sciences, em Washington, e anunciada numa conferência de imprensa no dia 25 de Abril de 1954. Publicado no Journal of Applied Physics, e registada uma patente. Nas páginas do New York Times marca o princípio de uma nova era, levando, eventualmente, à realização de um dos mais belos sonhos da humanidade: a colheita de energia solar sem limites, para o bem-estar da civilização. 25 de Abril de 1954 Extrato da patente da primeira célula solar, registada em Março de 1954. Gerald Pearson, Daryl Chapin, Calvin Fuller e a sua primeira célula solar, desenvolvida nos laboratórios da Bell Telephone C. em 1954.
A primeira aplicação das células solares de Chapin, Fuller e Pearson foi realizada em Americus, no estado da Georgia, para alimentar uma rede telefónica local. O painel, com nove células com 30 mm de diâmetro, foi montado em Outubro de 1955 A primeira aplicação de uma célula solar de silício foi como fonte de alimentação de uma rede telefónica local em Americus, na Geórgia, Estudos Unidos da América, em 1955. e removido em Março de 1956. Os resultados foram promissores, embora o painel tivesse ficado rapidamente coberto por uma massa opaca de fezes ornitológicas. Custo das células solares Aplicações especiais como para produzir eletricidade no espaço O primeiro satélite, o Sputnik, lançado em 1957, acabara de inaugurar oficialmente a corrida ao espaço entre os Estados Unidos e a União Soviética. Março de 1956
INFÂNCIA E ADOLESCÊNCIA As células solares eram consideradas uma curiosidade, e foi com grande relutância que a NASA aceitou incorporá-las A pilha química falhou Depois desta demonstração de fiabilidade, durabilidade e baixo peso, o programa espacial norte-americano adoptou as células solares como fonte de energia dos seus satélites. Também o programa espacial soviético viu nas células solares a solução para uma fonte de energia inesgotável para os seus satélites. Março de 1958 O desenvolvimento de células solares cada vez mais eficientes para utilização no espaço levou a alguns avanços tecnológicos importantes na década que se seguiu. Imagem do Vanguard I, o primeiro satélite com células solares, lançado em Março de 1958, levando a bordo um pequeno painel solar com 100 cm2 visível na janela em cima à esquerda. Sputnik-3 (Soviético)
Células da SOLAREX, uma empresa de Jospeh Lindmeyer, que começou a produzir painéis fotovoltaicos para sistemas de telecomunicações remotos e boias de navegação. Células mais eficientes mas não necessariamente mais econômicas 1973 o preço do petróleo quadruplicou O resultado de todos estes avanços foi a redução do custo da eletricidade solar de 80 $/Wp (Watt-pico) para cerca de 12 $/Wp (Watt-pico) em menos de uma década. 1973
A MATURIDADE financiamento e de demonstração motivados sobretudo pela consciência crescente da ameaça das alterações climáticas devido à queima de combustíveis fósseis. Central Solar, Califórnia, em 1982. Agora extinta Do ponto de vista da eficiência de conversão das células solares, a barreira dos 20% de eficiência foi pela primeira vez ultrapassada pelas células de silício monocristalino da Universidade de New South Wales, na Austrália. 1993 1998 foi atingida a eficiência recorde de 24,7%, com células em silício monocristalino. Programas de telhados solares na Alemanha (1990) e no Japão (1993).
EM UM OUTRO LADO... Século XX
DESCOBERTA DOS POLÍMEROS CONDUTORES Polímeros condutores se caracterizam por possuírem propriedades elétricas, ópticas e magnéticas, típicas de comportamento metálico, porém com propriedades mecânicas e processabilidade em solução. Os polímeros condutores tiveram sua descoberta de maneira acidental no laboratório de Shirakawa no Instituto de Tecnologia de Tóquio em 1976. 1976 Prêmio Nobel de Química em 2000. 1st generation of materials Alan MacDiarmid (à esquerda) posa com seus colegas ganhadores do Prêmio Nobel Hideki Shirakawa do Japão (centro) e Alan Heeger dos Estados Unidos, em Wellington, em 2003 Estrutura dos principais polímeros intrinsecamente condutores.
2nd generation of materials 3rd generation of materials Século XXI
ESTRUTURA DE UMA CÉLULA SOLAR ORGÂNICA Estrutura típica de "sanduíche", Século XXI
REFERÊNCIAS Becquerel, E., Memoires sur les effets electriques produits sous l'influence des rayons, Comptes Rendues 9 (1839) 561. Adams, W.G. and Day, R.E., The action of light on selenium, Proceedings of the Royal Society, A25 (1877) 113. Pearson, G. L., Conversion of solar to electric energy, American Journal of Physics 25 (1957) 591 Chapin, D. M., Fuller, C. S. and Pearson, G. L., Solar Energy Converting Apparatus, Patent US2780765. Koltun, M. M., History of solar cell development in the Soviet space program and the terrestrial potential for this technology, Solar Energy Materials and Solar cells 44 (1996) 293-317. Wolf, M., Limitations and possibilities for improvement of photovoltaic solar energy converters, Proceedings of the IRE 48 (1960) 1246. Green, M. A. et al., Improvements in silicon solar cell efficiency, Proceedings 18th IEEE PVSC, Las Vegas, Nevada (1985) 39. Schultz, O., Glunz, S. W. and Wileke G. P., Multicrystalline Silicon Solar Cells Exceeding 20% Efficiency, Progress in Photovoltaics: Research and Applications 12 (2004) 553. Organic photovoltaics - C. Dagron-Lartigau
Funcionamento
TEORIA DE BANDAS
TEORIA DE BANDAS Banda de condução Banda de condução Banda de valência CONDUTOR E gap 1 ev Banda de valência SEMICONDUTOR Banda de condução E gap Banda de valência ISOLANTE
TEORIA DE BANDAS
SEMICONDUTORES EXTRÍNSECOS INORGÂNICOS Semicondutor Tipo N Semicondutor Tipo P
SEMICONDUTOR: JUNÇÃO P-N E 0 Polarização Direta E 0 Polarização Reversa E 0 Junção ou camada de depleção E E V V
EFEITO FOTOVOLTAICO Efeito fotovoltaico é baseado em três importantes princípios: 1. Excitação de portadores de carga livres devido a absorção da luz; 2. Separação dos portadores de carga; 3. Coleta de portadores de carga nos contatos.
CÉLULAS BASEADAS EM SILÍCIO
CÉLULAS BASEADAS EM MATERIAIS ORGÂNICOS
EFICIÊNCIA DE UM DISPOSITIVO FOTOVOLTAICO Eficiência P max P in Fill Factor ou Fator de preenchimento FF I max V max I sc V oc
UNESP-PRESIDENTE PRUDENTE - Equipe
REFERÊNCIAS OLIVATI, C. A. Estudo das propriedades elétricas e ópticas de dispositivos eletroluminescentes poliméricos. 2004. Kao, Kwan Chi. Dielectric phenomena in solids. Academic press, 2004. YOUNG, H.; FREEDMAN, R.A. Física IV: ótica e física moderna: Sears e Zemansky. 2003. SOUZA, J. F. P. Transporte de cargas em polímeros semicondutores para aplicação em dispositivos fotovoltaicos. 2014. http://photonicswiki.org/index.php?title=physics_of_solar_cells. Acesso em ago. 2016 https://en.wikipedia.org/wiki/multi-junction_solar_cell. Acesso em ago. 2016 http://www.pveducation.org/pvcdrom/design/solar-cell-parameters. Acesso em ago. 2016