Além das clássicas células fotovoltaicas feitas de silício cristalizado, existem outros tipos, produzidas com outros tipos de materiais, visando maior eficiência ou menor custo. As células fotovoltaicas de película fina foram a grande aposta para o futuro da energia solar fotovoltaica, mas o aprimoramento das técnicas de produção e a fabricação em larga escala confirmou as células de silício cristalizado como campeãs de mercado. Para melhor compreensão, recomendo ler o artigo sobre o efeito fotovoltaico.
Células Fotovoltaicas de Silício Cristalizado
Silício Monocristalino
Para a fabricação das células monocristalinas, o silício purificado, mas em forma de policristal, tem que ser transformado em um único cristal, o que é feito através do Processo Czochralsky (pronuncia-se xô-rálsqui), que consiste em derreter o novamente o silício em um cadinho de quartzo, em temperatura em torno de 1420 °C. Uma semente de monocristal de silício é inserida no cadinho e, à medida que o mosto é resfriado, o cadinho e a semente giram. O cristal semente é vagarosamente erguido do cadinho, orientando a formação de um novo cristal único de silício (monocristal) de aproximadamente 30 cm de diâmetro e vários metros de comprimento. Esse monocristal será cortado em um formato (semi) quadrado e depois fatiado em lâminas (chamadas de waffers), com espessura de aproximadamente 0.3 mm. O pó de serragem, liberado durante a serragem é derretido novamente, junto com as partes cônicas do cilindro de silício. As lâminas serão tratadas quimicamente para a remoção de rebarbas, que desbasta até 0,01 mm de cada lado. Começando com as lâminas já devidamente dopadas com boro, ou seja, do tipo-P, será criada uma camada superior do tipo-N, através do processo de difusão de vapor de fósforo em um forno de difusão a temperaturas em torno de 800°C a 900 °C, criando a junção-PN. Depois de aplicada uma camada de material antirreflexo, serão impressos os contatos frontais e traseiros, e por fim as células são desbastadas nas laterias para a remoção de possíveis causadores de curto-circuitos.
O silício purificado, como explicado anteriormente, é derretido em um cadinho de quartzo e moldado em forma de cubo e, através de um processo controlado de aquecimento e resfriamento, o bloco se solidificará em uma única direção, de maneira a conseguir uma formação cristalina o mais homogênea possível. Como o silício cristaliza livremente, há a formação de vários cristais, por isso o nome: policristalino. Os vários cristais aumentam as perdas por recombinação, fazendo com que as células de silício policristalino sejam menos eficientes que as de silício monocristalino. Durante o processo de solidificação são criados lingotes de silício policristalino que serão serrados em barras, utilizando uma serra-fio e depois cortados em lâminas (waffers) de aproximadamente 0.3 mm de espessura, mais uma vez por uma serra-fio. Todo esse processo de serragem provoca perdas de material na forma de pó de serragem. O silício já é dopado com a impureza tipo-P (geralmente boro) durante a purificação. Após a serragem e limpeza, as lâminas serão dopadas com fósforo (em apenas uma face), será aplicada uma camada de material antirreflexo (que aumentará a absorção luminosa) e, por fim, serão impressos os contatos frontais e traseiros.
Células Fotovoltaicas de Película Fina (Thin-Film)
As células de película fina utilizam muito menos matéria-prima e energia para sua fabricação, não tem restrições de tamanho e forma e podem até mesmo serem flexíveis e transparentes. Foram a promessa para baratear o custo dos módulos fotovoltaicos, desde os anos 90, mas devido a vários fatores não conseguiram tirar o posto do silício cristalizado. Um dos principais motivos, que é comum a todas as tecnologias de thin-film, é a nova técnica de obtenção de silício grau-solar, que barateou o silício cristalizado. As três tecnologias de película-fina mais utilizadas e disponíveis comercialmente são o silício amorfo, o Disseleneto de Cobre Índio (e Gálio) e o Telureto de Cádmio que, devido às suas característica de absorção da luz, camadas muito finas (de menos de 0,001mm) são teoricamente suficientes para a conversão da radiação solar. Além disso, os átomos desses materiais são mais susceptíveis à contaminação por átomos estranhos e, comparadas à tecnologia de fabricação do silício cristalizado, as tecnologias de película fina consomem muito menos energia. Enquanto a temperatura de manufatura do silício cristalizado fica em torno de 1.500 °C, a temperatura de produção das películas finas está entre 200 °C e 600 °C.
Silício Amorfo
O silício amorfo (sem forma) não possui uma estrutura cristalina, mas uma rede irregular. Devido a isso, ocorrem ligações livres que absorvem hidrogênio até a saturação. Esse silício amorfo hidrogenado (a-Si:H) é criado em reatores de plasma, pela deposição de silano gasoso (SiH4), em temperaturas entre 220 °C e 250 °C. O dopante é adicionado por uma mistura de gases que contém o devido material: B2H6 para o tipo-P e PH3 para o tipo-N. Devido à pequena extensão da difusão do a-Si:H dopado, os elétrons e buracos livres na junção-PN não sobrevivem tempo suficiente para gerar uma corrente elétrica externa. Por isso uma camada de de a-Si:H intrínseco (não dopado) é colocada entre camadas de a-Si:H do tipo-N e do tipo-P, na qual as cargas elétricas duram mais tempo. É nessa camada que acontece a absorção da luz e liberação dos elétrons. Como contatos frontais, podem ser utilizados o Óxido de Estanho (SnO), o Óxido de Estanho e Índio (ITO – do inglês: Indium Tim Oxide) ou o Óxido de Zinco (ZnO). Se os materiais forem depositados na parte frontal do vidro, como mostrado na figura, será criada uma estrutura do tipo p-i-n. Os materiais podem ser depositados em uma sequência inversa (n-i-p) na parte traseira do substrato. Isso permite que sejam criados módulos fotovoltaicos flexíveis em substrato leves não transparentes, como plástico ou metal, que são mais adequados à colocação em telhados. A principal desvantagem do silício amorfo está na sua baixa eficiência, que diminui ainda mais durante os primeiros 6 a 12 meses de operação, devido à degradação induzida pela luz (através do efeito Staebler-Wronsky), antes de se estabilizar e alcançar a potência nominal de operação. Alguns fabricantes produzem células empilhando as estruturas p-i-n umas sobre as outras. Com essa técnica, é possível criar células que aproveitam uma parte maior do espectro da radiação solar, otimizando cada camada para uma banda de cor específica, através da mistura com outros materiais, por exemplo o germânio (a-SiGe). Além disso, células empilhadas sofrem menos os efeitos de envelhecimento, e as camadas de a-Si:H do tipo-I são mais finas e, consequentemente, menos susceptíveis à degradação pela luz.
CIS/CIGS
Para a fabricação das células, o substrato de vidro é inicialmente revestido com uma fina camada de molibdênio em um processo de pulverização catódica. A camada do tipo-P de CIGS pode ser fabricada pela vaporização simultânea dos elementos (cobre, índio, gálio e selênio) em uma câmara de vácuo, sob temperaturas entre 500°C e 600°C; ou pela pulverização dos elementos em camadas individuais em temperatura ambiente, com posterior cozimento rápido em temperatura de 500°C.Como contato frontal transparente, é utilizado o óxido de zinco dopado com alumínio (ZnO:al), que é do tipo-N. Entre os dois tipos (P e N) de semicondutor é colocada uma camada de óxido de zinco instrínseco e uma camada de sulfato de cádmio ajuda a reduzir perdas provocadas pela combinação entre o oxido de zindo e o CIS.
Diferentemente do silício amorfo, as células de CIGS não sofrem de degradam sob a ação da luz. Mas é necessário um selamento robusto, para evitar a degradação do óxido de zinco, o que inutilizaria o módulo.
Os módulos fotovoltaicos de CIGS são os mais eficientes, entre as tecnologias de película fina, com até 11% de eficiência. Infelizmente o seu custo não está tão baixo quanto o do silício, além do uso de índio, que é um material raro, altamente requisitado pela indústria de smartphones. O índio é o componente principal das telas táteis (touchscreen) capacitivas.
CdTe
As células fotovoltaicos de CdTe são fabricadas em um substrato de vidro, com uma camada de condutor transparente como contato frontal, onde geralmente é utilizado o óxido de estanho e índio (OTI). O contato frontal é revestido com uma finíssima camada de Sulfeto de Cádmio (CdS) que é um semicondutor do Tipo-N, depois com uma camada de Telureto de Cádmio (CdTe), que é do Tipo-P. Esse procedimento pode ser feito por uma espécie de impressão em tela (silk-screen).Para fabricar módulos maiores, ou com maior eficiência, pode-se utilizar de disposição por vaporização em uma câmara de vácuo com temperaturas de aproximadamente 700°C. As junção P-N de CdS-CdTe é ativada quando entra em contato com uma atmosfera com cloro.
A principal dificuldade para a fabricação de módulos fotovoltaicos utilizando o CdTe é a toxicidade do cádmio. O Telureto de Cádmio é um composto atóxico, que é tóxico somente durante o processo de fabricação, o que exige procedimentos rigorosos de controle.
Assim como as células de CIGS, as células de CdTe não se degradam sob a ação da luz.
Células Fotovoltaicas Híbridas
Uma célula fotovoltaica híbrida (HCL) é a junção da tecnologia do silício cristalizado com a tecnologia de película fina de silício amorfo hidrogenado. A sigla HCL significa Heterojunction with Intrinsic Layer - Heterojunção com Camada Intrínseca – e representa a estrutura de construção dessas células.
Uma pastilha de silício monocristalino (m-Si do tipo-N) forma o núcleo, que é revestido em ambos os lados por uma camada finíssima de silício amorfo (a-Si), do tipo intrínseco (silício puro, sem impurezas). Na parte superior da célula é colocada, sobre a camada de silício amorfo do tipo-i, uma camada de silício amorfo do tipo-P, formando uma junção p-i-n com pastilha de silício monocristalino do tipo-N. Na inferior da célula é colocada uma camada de silício amorfo altamente dopado com impureza do tipo-N (fósforo) que serve para evitar a recombinação dos portadores de carga no eletrodo superior.
Não há degradação induzida pela luz, no silício amorfo, assim como acontecem nas células fotovoltaicas thin-film de silício amorfo. Em comparação com as células fotovoltaicas de silício cristalizado, as células HIT tem melhor rendimento em temperaturas elevadas, pois tem menores perdas (0,33%) por cada grau acima de 25° C, que nas células de silício cristalizado é de 0,45%.
Existem ainda muitas outras tecnologias de células fotovoltaicas, até mesmo mais eficientes que as atuais, mas nem todas comercialmente viáveis. Em tempo falaremos da mais eficientes células fotovoltaicas e onde são utilizadas.
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