Células solares têm avanço na indústria e no laboratório

Agostinho Rosa - 28/09/2009

Protótipo das células solares empilhadas mecanicamente, onde a célula superior é transparente ao comprimento de onda captada pela célula que fica embaixo.
[Imagem: IMEC]

O instituto de pesquisas IMEC, da Bélgica, apresentou de uma só vez dois avanços importantes, um dos quais inédito, na fabricação das células solares fotovoltaicas feitas de semicondutores.

As células solares semicondutoras representam o tipo mais tradicional de célula solar e, apesar dos crescentes avanços nas células solares orgânicas, continuam com larga vantagem em termos de eficiência na conversão da luz solar em eletricidade.

Como elas continuam muito caras, todos os avanços são importantes para a viabilização da energia solar fotovoltaica - que transforma a luz solar diretamente em eletricidade, - que vem cedendo espaço para a energia solar termovoltaica - que utiliza o calor do Sol para gerar vapor que movimenta uma turbina tradicional.

Eficiência pronta para uso

O primeiro avanço é uma célula solar de alta eficiência, com uma taxa de conversão de 18,4%, e fabricada em uma área muito grande, de 125 centímetros quadrados, já em um processo de produção industrial.

A célula solar possui um emissor raso, resultando em um melhor aproveitamento da luz solar na faixa azul do espectro, o que ajudou a elevar sua eficiência. Para os contatos frontais foi utilizada uma nova metalização à base de cobre, aplicada sobre aberturas no revestimento antirreflexivo. O cobre está sendo utilizado em substituição à prata, que é muito mais cara, resultando em uma célula solar mais barata.

Segundo os pesquisadores, a nova geometria do emissor aponta para a possibilidade da construção de células solares com uma espessura de apenas 40 micrômetros e eficiência superando os 20%.

Empilhamento inédito

O segundo avanço é um empilhamento mecânico de duas células solares, criando uma célula multijunção - cada junção semicondutora é projetada para capturar um comprimento de onda diferente. A primeira célula é feita de arseneto de gálio (GaAs) e a segunda de germânio (Ge).

Como, no primeiro avanço relatado acima, os pesquisadores já vislumbram a possibilidade de fabricar cada uma de suas células individuais com uma eficiência ultrapassando os 20%, duas células complementares empilhadas poderão resultar em rendimentos acima dos 40%.

Célula solar transparente

Mas como dá para empilhar duas células solares se o maior desafio dos engenheiros ao longo dos anos tem sido fabricar células nas quais nada fique no caminho da luz, permitindo que a maior quantidade possível de fótons atinja as junções semicondutoras que produzem a eletricidade?

A solução tem um conceito simples, embora sua realização somente agora tenha sido alcançada: a célula solar que vai na parte de cima, feita de GaAs, é superfina e transparente para a luz infravermelha. E a célula inferior, de Ge, captura esse comprimento de onda para gerar eletricidade.

A eficiência da célula superior de GaAs é de 23,4%, muito próxima às células estado da arte feitas com esse material, mas que não possuem a vantagem da transparência e nem a baixa espessura. A eficiência da célula de germânio é de 3,5%, o que é superior ao aproveitamento da luz infravermelha em outras células solares do mesmo material.

Ao contrário das células solares multijunção tradicionais, que são construídas em um mesmo bloco - diz-se que elas são "monoliticamente empilhadas" - a solução agora desenvolvida é mais flexível, já que as duas células são fabricadas independentemente e simplesmente empilhadas, cada uma mantendo os seus contatos elétricos. Isso mantém as portas abertas para a adição de uma terceira célula solar, de índio-gálio-fósforo, criando uma célula solar multijunção montada mecanicamente.

Aplicações de ponta

No estágio atual, a eficiência total da célula multijunção empilhada já atinge 26,9%, o que é bastante superior aos 18,4% do primeiro avanço, relatado acima. Ocorre que os dois não são diretamente comparáveis porque o primeiro avanço se refere a uma célula solar já em nível de produção industrial, enquanto as células empilhadas mecanicamente são ainda uma demonstração em escala de laboratório. Mas, mesmo aqui, os pesquisadores estão entusiasmados, afirmando que deverão ter uma célula empilhada de tripla junção já em 2010.

Os cálculos teóricos indicam que esta nova célula empilhada deverá ter uma eficiência de 1 a 2% acima das atuais células monolíticas (chegando a 40% de eficiência total com iluminação concentrada).

O empilhamento de células solares combina diferentes materiais semicondutores para capturar e converter uma parte maior do espectro eletromagnético do que é possível com um único material. Contudo, construí-las, sendo em uma única célula monolítica, ou no processo de empilhamento mecânico agora desenvolvido, é ainda uma tarefa complicada e cara, o que deverá manter essas células solares de alta eficiência voltadas para aplicações de ponta, principalmente na área espacial.

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