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Tecnologia

Esforço colaborativo prova que as células solares à base de silício podem atingir quase 36% de eficiência

Um estudo colaborativo entre pesquisadores do Laboratório Nacional de Energia Renovável (NREL), do Centro Suiço de Eletrônica e Microtecnologia (CSEM) do Departamento de Energia dos EUA e da École Polytechnique Fédérale de Lausanne (EPFL) mostra o alto potencial de células solares multijunções baseadas em silício.

Os grupos de pesquisa criaram células fotovoltaicas tandem ou multijunção com eficiências recordes ao converter a luz solar em eletricidade sob a iluminação de 1-sol (iluminação natural). O artigo resultante, “Aumentando a Eficiência de Conversão Um-Sol das Células Solares III-V / Si para 32,8% para Duas Junções e 35,9% para Três Junções”, aparece na nova edição da Nature Energy. As células solares criadas exclusivamente a partir de materiais nos Grupos III e V da Tabela Periódica mostraram altas eficiências, mas são mais caras.

Stephanie Essig, uma ex-pesquisadora pós-doutoranda da NREL e que trabalha na EPFL na Suíça, é a principal autora da pesquisa recentemente publicada, na qual ela detalha as etapas tomadas para melhorar a eficiência da célula multijunção. Enquanto na NREL, Essig foi co-autora de “Realização de GaInP / Si Dupla-Junção em Células Solares com 29,8% de Eficiência em 1-Sol”, que foi publicado no IEEE Journal of Photovoltaics há um ano.

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Além de Essig, os autores do novo trabalho de pesquisa são Timothy Remo, John F. Geisz, Myles A. Steiner, David L. Young, Kelsey Horowitz, Michael Woodhouse e Adele Tamboli, todos do NREL; e Christophe Allebe, Loris Barraud, Antoine Descoeudres, Matthieu Despeisse e Christophe Ballif, do CSEM.

A pesquisadora da NREL, Adele Tamboli, co-autora de um artigo recente sobre células fotovoltaicas baseadas em silício, está em frente a uma série de painéis solares. Crédito: Dennis Schroeder

A pesquisadora da NREL, Adele Tamboli, co-autora de um artigo recente sobre células fotovoltaicas baseadas em silício, está em frente a uma série de painéis solares. Crédito: Dennis Schroeder

“Essa conquista é significativa porque mostra, pela primeira vez, que as células em tandem baseadas em silício podem proporcionar eficiências em competição com células multijunções mais caras, consistindo inteiramente de materiais III-V”, disse Tamboli. “Ela abre a porta para desenvolver materiais e arquiteturas de células solares multijunções totalmente novas”.

Ao testar células solares multijunções baseadas em silício, os pesquisadores descobriram que a maior eficiência de dupla junção (32,8%) veio de uma célula em tandem que empilhou uma camada de arseneto de gálio (GaAs), desenvolvida pela NREL em cima de um filme de silício cristalino que foi desenvolvido pelo CSEM . Uma eficiência de 32,5% foi alcançada usando uma célula superior de fosfeto de gálio-índio (GaInP), que é uma estrutura semelhante à eficiência de registro anterior de 29,8% anunciada em janeiro de 2016. Uma terceira célula, constituída por uma célula tandem GaInP / GaAs empilhada em uma célula de fundo de silício, atingiu uma eficiência de junção tripla de 35,9% — apenas 2% abaixo do registro geral de junção tripla.

O mercado de energia fotovoltaica existente é dominado por módulos feitos de células solares de silício de junção única, com eficiências entre 17% e 24%. Os pesquisadores observaram no relatório que fazer a transição de uma célula de junção unidirecional de silício para uma célula solar de dupla junção baseada em silício permitirá que os fabricantes impulsionem as eficiências em 30% e ainda se beneficiam de sua experiência na fabricação de células solares de silício.

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O obstáculo para a adoção dessas células solares baseadas em silício multijunção, pelo menos no curto prazo, é o custo. Assumindo uma eficiência de 30%, os pesquisadores estimaram que a célula baseada em fosfeto de gálio-índio (GaInP) custaria US $ 4,85 por watt e a célula baseada em arseneto de gálio (GaAs) custaria US $ 7,15 por watt. Mas, à medida que a fabricação aumenta e as eficiências desses tipos de células aumentam para 35%, os pesquisadores preveem que o custo por watt pode cair para 66 centavos para uma célula baseada em GaInP e para 85 centavos para a célula baseada em GaAs. Os cientistas observaram que uma queda tão precipitada dos preços não é sem precedentes; por exemplo, o custo dos módulos fotovoltaicos fabricados na China caiu de US $ 4,50 por watt em 2006 para US $ 1 por watt em 2011.

O custo de um módulo solar nos Estados Unidos representa 20% a 40% do preço de um sistema fotovoltaico. Aumentando a eficiência celular a 35%, estimaram os pesquisadores, poderia reduzir o custo do sistema em até 45 centavos por watt para instalações comerciais. No entanto, se os custos de uma célula III-V não puderem ser reduzidos aos níveis do cenário de longo prazo dos pesquisadores, será necessário o uso de materiais mais baratos e de alta eficiência para a célula superior para torná-los competitivos em termos de custos nos mercados gerais de energia.

Com informações do National Renewable Energy Laboratory – NREL.

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