A maioria dos painéis solares disponíveis no mercado hoje pode ser dividida em três tipos: monocristalino, policristalino e filme fino . Eles diferem uns dos outros em tecnologia de produção, aparência, desempenho, custo e escopo. Os painéis poli e monocristalinos respondem por quase 85% das vendas do mercado. Mas os painéis solares de película fina (amorfos) são considerados promissores devido às suas próprias vantagens e uma ampla gama de aplicações.
Funcionam em climas muito quentes e tempo nublado/nublado, são especialmente eficazes em luz difusa, e as fotocélulas de silício amorfo de pequeno porte são usadas ativamente para necessidades domésticas, integradas ao exterior de edifícios, carregadores de acampamento para gadgets, calculadoras de bolso.
Por muito tempo, a baixa potência de saída das células solares de silício amorfo limitou seu uso a apenas uma estreita faixa de aplicações. Este problema foi parcialmente resolvido colocando várias células solares amorfas umas em cima das outras, o que aumenta seu desempenho e as torna mais compactas.
Como são feitos os painéis de silício amorfo?
O silício amorfo (a-Si) é uma forma não cristalina de silício. A palavra “amorfo” significa literalmente sem forma. Tal material de silício não é estruturado e cristalizado no nível molecular, como em muitos outros tipos de células solares à base de silício.
Os painéis de silício amorfo são uma tecnologia de filme fino bem estabelecida que está no mercado há cerca de duas décadas. Esses módulos são formados pela deposição de vapor de silício em uma camada fina de cerca de 1 micrômetro (às vezes variando de vários nanômetros a dezenas de micrômetros) sobre um material substrato, como vidro ou metal. O silício amorfo também pode se depositar em temperaturas muito baixas, até 75°C, o que também permite que seja aplicado em plástico ou outros materiais flexíveis que deixam passar os raios do sol. É justamente pela capacidade de usar uma base flexível que os módulos de película fina têm uma ampla gama de aplicações.
Em sua forma mais simples, uma estrutura de módulo amorfa tem uma camada. Mas os elementos de camada única têm uma baixa potência de saída. Para maior estabilidade, é necessário aumentar a intensidade do campo elétrico no material. No entanto, isso reduz a absorção de luz e, consequentemente, a eficiência dos módulos. Isso levou a indústria a desenvolver dispositivos de duas e até três camadas que contêm módulos de contato empilhados uns sobre os outros.
Eficiência de painéis de silício amorfo de filme fino
Inicialmente, se compararmos a potência de saída de painéis de filme fino e painéis de silício cristalino, a figura não fala a favor de filmes finos: 18-22% versus cerca de 7-8%. Essa baixa eficiência se deve em parte ao efeito Stabler-Wronsky (degradação fotoinduzida) que ocorre nas primeiras horas em que os painéis são expostos à luz solar. Esse fenômeno faz com que o rendimento de energia do painel de silício amorfo diminua de 10% para cerca de 7%.
No entanto, com o desenvolvimento da tecnologia nos últimos anos, esses indicadores estão melhorando rapidamente. Hoje, cientistas e engenheiros trabalhando para melhorar os painéis trouxeram gradualmente a eficiência dos painéis amorfos para 12,5% em laboratório. A eficiência das células solares de silício amorfo, que são produzidas em grandes volumes, varia de 6% a 9%.
Agora existem três gerações de painéis de filme fino baseados em silício amorfo.
1ª geração. Aqui refere-se ao ancestral da tecnologia – uma bateria solar de junção única. Caracteriza-se por uma vida útil curta (até 10 anos) e um baixo nível de produtividade (cerca de 5%).
2ª geração. A mesma bateria solar de junção única com maior eficiência (até 8%).
3ª geração . Os painéis amorfos de película fina mais eficientes da atualidade com uma vida útil de mais de 10 anos e um nível de produtividade de 12-12,5%.
Na maioria das vezes, os painéis de película fina são usados para sistemas solares operando em escala industrial com inversores dependentes (escravo, grid-tie) e fornecendo eletricidade para a rede geral, já que os módulos amorfos apresentam a maior eficiência quando usados em sistemas potentes (de 10 kW).
Vantagens dos painéis amorfos
- A produção de elementos a partir de silício amorfo é livre de resíduos, o que reduz significativamente o custo dos painéis de película fina. Portanto, o baixo custo de produção é sua principal vantagem e torna os módulos fotovoltaicos de silício amorfo muito competitivos no mercado de painéis solares.
- Substratos/bases de painéis amorfos podem ser feitos de metal e materiais baratos, como vidro e plástico.
- Melhor uniformidade em grandes áreas. Isso se deve ao fato de que o próprio silício amorfo está cheio de defeitos. Portanto, quaisquer outros defeitos, como impurezas, não afetam muito as características gerais do material.
- O silício amorfo pode ser produzido em várias formas e tamanhos (redondo, quadrado, hexagonal ou qualquer outra forma complexa). Isso a torna uma tecnologia ideal para uso em uma variedade de aplicações, como alimentação de calculadoras eletrônicas, relógios solares de pulso, luzes de jardim e acessórios automotivos.
- O olho humano é sensível à luz com comprimentos de onda entre 400 e 700 nanômetros. Como as células solares de silício amorfo são sensíveis à luz com quase os mesmos comprimentos de onda, isso significa que, além de serem usadas como células solares, elas também podem ser usadas como sensores de luz (por exemplo, sensores de luz ao ar livre, etc.).
- Flexibilidade, peso leve, fácil instalação. A resistência e a flexibilidade dos painéis de filme fino de silício amorfo são determinadas pelas superfícies ou substratos aos quais as células solares de filme fino estão ligadas. O módulo de filme fino flexível oferece aos projetistas e instaladores mais espaço para serem mais criativos quando se trata de aplicação de painel. Por exemplo, eles podem ser colocados em superfícies curvas e, entre os desenvolvimentos, está até o uso em roupas.
- As células solares de filme fino têm um desempenho relativamente bom em condições de iluminação ruins e são menos afetadas pelo sombreamento, gerando até 20% mais energia em luz solar difusa ou fraca em comparação com painéis cristalinos. Eles têm menos perda de energia em tempo nublado. Eles têm um melhor custo por watt de potência.
- O processo de fabricação e a tecnologia dos painéis solares a-Si os tornam muito menos suscetíveis a quebras durante o transporte ou instalação do que os painéis cristalinos. Painéis amorfos de filme fino são menos propensos a serem defeituosos.
- Outra vantagem fundamental desse tipo de tecnologia é maior resistência ao calor, calor. Por exemplo, de acordo com uma pesquisa do Laboratório Nacional de Energia Renovável dos EUA, descobriu-se que, quando a temperatura aumenta, os módulos fotovoltaicos de silício amorfo têm um desempenho melhor do que os painéis de silício cristalino.
- Muito menos silício é necessário para produzir painéis de filme fino. Porque o silício amorfo é um material bandgap direto, os módulos amorfos requerem apenas cerca de 1% do silício que seria usado para produzir células fotovoltaicas de silício cristalino.
- Os painéis de filme fino de silício amorfo são adequados para usinas de energia solar de grande área e usinas de energia solar montadas na parede.
- Todos os benefícios acima podem ajudar a reduzir o risco de investimentos significativos em um sistema fotovoltaico usando esses painéis.
Desvantagens dos painéis de filme fino de silício amorfo
- As células solares de película fina amorfa têm eficiência menor do que as mono e policristalinas. Tentativas de aumentá-lo, por exemplo, criando módulos multicamadas ou dopando com germânio para reduzir o gap de banda e melhorar ainda mais a absorção de luz, é um processo bastante complicado que torna a produção mais cara. Se esses processos forem implementados, os painéis de filme fino custarão mais e, assim, perderão sua vantagem competitiva.
- Os módulos de filme fino tendem a se decompor mais rapidamente do que os painéis solares mono e policristalinos. A expectativa de vida das baterias amorfas é menor que a das cristalinas. Nem sempre é possível determinar quanto, principalmente devido ao constante desenvolvimento das tecnologias utilizadas na produção de painéis de película fina. Até o momento, a vida útil desses painéis, em média, é de 10 a 25 anos, e em potência perdem cerca de 10 a 40% nas primeiras temporadas, após o que sua potência é fixada neste indicador e, como regra, não cai mais. . Muitos fabricantes prometem uma potência de saída de cerca de 80% até o final da vida útil.
- Grande área ocupada. É necessário cobrir uma área muito maior (cerca de 2,5 a 3 vezes) com painéis solares de silício amorfo do que com painéis de base cristalina para obter potência igual.
Painéis solares feitos de silício amorfo estão sendo constantemente aprimorados e são animadores com suas perspectivas hoje. Eles são mais leves, mais flexíveis e potencialmente mais baratos de fabricar. Por outro lado, esta tecnologia deve se tornar mais madura para competir com células solares mono e policristalinas.