Análise dos factores que afectam a eficiência de conversão das células solares de silício cristalino

As células solares de silício cristalino, sendo um dos tipos de células solares mais utilizados, têm a sua eficiência de conversão afetada por múltiplos factores. A eficiência de conversão das células solares refere-se à proporção de energia solar que pode ser convertida em energia eléctrica. Em aplicações práticas, a melhoria desta eficiência enfrenta várias limitações tecnológicas. Este artigo analisará os factores que afectam a eficiência de conversão das células solares de silício cristalino, desde a perda ótica à perda eléctrica, e os métodos para melhorar a sua eficiência.

1. Factores que afectam a eficiência de conversão das células solares de silício cristalino

A eficiência de conversão das células solares é principalmente afetada pela absorção de luz, transporte de portadores e recolha de portadores. Para células solares de silício monocristalino, a eficiência de conversão máxima teórica é de 28%. No entanto, a eficiência de conversão real é limitada por vários factores, que podem ser amplamente classificados em perdas ópticas e perdas eléctricas.

1.1 Perda ótica

A perda ótica inclui vários tipos de perdas:

• Perda de Reflexão de Superfície: Quando a luz solar atinge a superfície da célula solar, uma parte da luz é reflectida de volta, não podendo ser absorvida pela célula. Este é um fator importante que afecta a eficiência da célula solar. Normalmente, a taxa de reflexão das células solares de silício cristalino é de 30%-35%. Para atenuar este facto, são aplicados revestimentos antirreflexo (como nitreto de silício ou óxido de silício) para reduzir a taxa de reflexão para 5%-10%.
• Perda de sombra das linhas de grelha de contacto: Os contactos metálicos (linhas de grelha) na superfície da célula bloqueiam parte da luz, reduzindo a quantidade de luz que atinge diretamente a superfície da célula. A conceção das linhas de grelha tem de equilibrar a perda de sombra com a capacidade de captação de corrente, minimizando o bloqueio da luz.
• Perda por não absorção em comprimentos de onda longos: As células solares de silício cristalino têm um grande intervalo de banda, o que significa que não conseguem absorver eficazmente a luz infravermelha no espetro de comprimento de onda mais longo. Esta energia luminosa não absorvida contribui para a perda de eficiência.

1.2 Perdas eléctricas

As perdas eléctricas são causadas por vários factores:

• Recombinação de portadores fotogerados: Depois de a luz atingir a superfície da célula solar, os electrões e os buracos gerados devem ser eficazmente separados e transportados para os eléctrodos. Se se recombinarem antes de chegarem aos eléctrodos, perde-se energia. A recombinação ocorre normalmente em defeitos superficiais ou em massa no material, especialmente nos casos em que a concentração de portadores é elevada. Minimizar a recombinação é fundamental para melhorar a eficiência das células solares.
• Resistência de contacto: A resistência de contacto entre o semicondutor e os eléctrodos metálicos, bem como a qualidade dos contactos dos eléctrodos, podem também afetar a eficiência da célula. Uma resistência de contacto elevada aumenta a resistência interna, o que dificulta o fluxo de corrente e reduz a eficiência de saída da célula.
• Recombinação na superfície posterior: A recombinação na superfície posterior afecta significativamente a eficiência da célula solar, especialmente no caso de células finas. Se o comprimento de difusão dos portadores exceder a espessura da pastilha de silício, a recombinação na superfície posterior torna-se mais visível, afectando negativamente o desempenho da célula solar.

2. Métodos para melhorar a eficiência de conversão das células solares de silício cristalino

Para melhorar a eficiência de conversão das células solares de silício cristalino, foram propostas várias estratégias de otimização. Estas estratégias visam reduzir as perdas ópticas e eléctricas, aumentar a absorção de luz e melhorar a eficiência da recolha de portadores.

2.1 Estrutura de captação de luz

Para aumentar efetivamente a absorção da luz, as células solares de silício cristalino utilizam frequentemente a tecnologia de texturização por gravação química. A superfície texturada pode reduzir significativamente a reflexão da luz e aumentar a sua absorção. Atualmente, a tecnologia de gravação iónica reactiva (RIE) tornou-se um método de texturização comummente utilizado. Esta tecnologia cria uma superfície texturizada uniforme que melhora a redução da taxa de reflexão, optimizando a reflexão e a absorção da luz.

2.2 Revestimento antirreflexo

A função de um revestimento antirreflexo é reduzir a perda por reflexão, criando interferência entre a luz incidente e a superfície da célula. Os materiais antirreflexo mais comuns incluem TiO2, SiO2, SnO2, entre outros. Quando um revestimento antirreflexo é aplicado à superfície texturizada da célula, a taxa de reflexão pode ser reduzida para cerca de 2%.

2.3 Camada de passivação

As camadas de passivação podem reduzir eficazmente a recombinação de portadores fotogénicos em determinadas regiões. As técnicas comuns de passivação incluem a passivação por oxidação térmica e a passivação por hidrogénio atómico. Estes métodos formam uma camada protetora na superfície da célula, que ajuda a evitar a recombinação dos portadores. Além disso, as técnicas de difusão superficial (como a difusão de fósforo ou alumínio) também podem ser utilizadas para a passivação, melhorando significativamente o desempenho da célula solar.

2.4 Melhoria do campo traseiro

Nas células solares de material tipo P, a adição de uma camada P+ fortemente dopada na superfície posterior pode formar uma estrutura P+/P, criando um campo elétrico incorporado na interface P+/P. Este campo elétrico incorporado ajuda a separar os portadores fotogerados, resultando numa acumulação de portadores no lado P+ e gerando uma fotovoltagem. Esta fotovoltagem aumenta a tensão de circuito aberto (Voc) da célula solar. Além disso, a presença do campo elétrico posterior acelera a difusão dos portadores fotogerados, aumentando efetivamente o seu comprimento de difusão e melhorando a corrente de curto-circuito (Jsc).

2.5 Melhoria do material do substrato

A escolha de materiais de silício de alta qualidade é crucial para melhorar o desempenho da célula. O silício do tipo N é particularmente vantajoso porque tem um tempo de vida mais longo, uma menor reação boro-oxigénio, melhor condutividade eléctrica e menor corrente de saturação. A utilização de silício do tipo N como material de substrato pode aumentar efetivamente a eficiência de conversão da célula solar.

3. Conclusão

A eficiência de conversão das células solares de silício cristalino é influenciada por múltiplos factores, principalmente perdas ópticas e eléctricas. Para melhorar a eficiência das células solares, são necessárias estratégias de otimização abrangentes, como a utilização de estruturas de captura de luz, revestimentos antirreflexo, camadas de passivação e a otimização da conceção do campo posterior. Além disso, a utilização de materiais de silício de alta qualidade para o substrato pode melhorar significativamente o desempenho global da célula solar. Com os avanços contínuos da tecnologia, espera-se que a eficiência das células solares de silício cristalino melhore ainda mais no futuro.