10.2.4 O Aproveitamento da Luz Solar

Nos semicondutores, entre a banda de valência e a banda de condução, há uma banda proibida, em que não pode haver elétrons nem lacunas. Sendo assim, para que um elétron vá da banda de valência para a banda de condução, ele deve receber energia externa suficiente para vencer a banda proibida. No caso do efeito fotovoltaico, o fóton deve fornecer ao elétron a energia suficiente para isso (SEVERINO, 2008).

Os fótons com energia inferior à necessária para que o elétron atravesse a banda proibida não são absorvidos, passando diretamente através do material semicondutor. Já os fótons com energia superior à necessária para a citada finalidade são absorvidos, fornecendo ao elétron exatamente a energia necessária e transformando o excesso energético em calor. A passagem direta dos fótons, sem absorção energética, pelo semicondutor e a transformação em calor de parte da energia dos fótons representam perdas de eficiência que ocorrem na conversão da energia da radiação solar em eletricidade nos painéis fotovoltaicos (SHAYANI, 2006).

Os fótons predominantes na radiação solar, que inclui as cores do espectro visível, a radiação ultravioleta e a radiação infravermelha, possuem energia que variam entre 1,24 eV — limite inferior da banda de energia para a radiação infravermelha — e 6,20 eV — limite superior da banda de energia para a radiação ultravioleta. Sendo assim, é fundamental a utilização, na fabricação de células fotovoltaicas, de materiais semicondutores que possuem banda proibida com energia inferior a 1,24 eV, pois a maioria dos fótons possui energia superior a isso. Para exemplificar, seguem os valores de energia associada à banda proibida, à temperatura de 300 K, de alguns materiais utilizados na fabricação de células fotovoltaicas: silício (Si) – 1,12 eV; arsenieto de gálio (GaAs): 1,42 eV; telureto de cádmio (CdTe) – 1,56 eV (SEVERINO, 2008).

Conforme bem observado por Shayani (2006), a obtenção de rendimento elevado na absorção da energia solar é complexa: os materiais com baixo valor de banda de energia, como o silício, absorvem grande quantidade de fótons, porém boa parte da energia desses fótons é transformada em calor, por haver excesso energético; os materiais com mais alto valor de banda de energia, como o telureto de cádmio, aproveitam melhor a energia dos fótons absorvidos, havendo menos dissipação térmica, porém absorvem menor quantidade de fótons, pois deixam passar aqueles com energia inferior à sua banda.

Outro fator que influencia o desempenho na absorção de fótons pelo semicondutor é a temperatura: o aumento da temperatura do semicondutor pela exposição à radiação solar provoca a diminuição da banda de energia, o que causa maior dissipação do que em temperatura ambiente (SZE apud SHAYANI, 2006). Apesar de essa diminuição não ocorrer de forma linear com o aumento da temperatura, a linearização é uma boa aproximação para temperaturas entre 300 K e 600 K, fornecendo as seguintes informações: para o silício, a banda de energia é reduzida em pouco mais de 1% para cada 50 K de aumento de temperatura; para o GaAs, a redução é de cerca de 1,5% para cada 50 K de aumento de temperatura.

Um modo de se melhorar a eficiência da absorção da radiação solar é a utilização de mais de uma junção sobrepostas, em forma de cascata, com diferentes bandas de energia. A primeira junção a receber a radiação solar absorve os fótons com mais energia; fótons menos energéticos passam direto pela primeira junção, sendo absorvidos pela segunda junção, que deixa passar fótons menos energéticos ainda, e assim por diante. Um bom exemplo disso é apresentado por Shayani (2006):

• Para um semicondutor com banda de 1,35 eV, verificou-se que a máxima eficiência é de 31%. Para esse mesmo semicondutor, o aumento da radiação solar em 1.000 vezes, elevou a eficiência para 37%. Com a utilização de duas junções em série, com bandas de 1,56 eV e 0,94 eV, a eficiência encontrada foi de 50%. Para três junções em série, com bandas de 1,75 eV, 1,18 eV e 0,75 eV, a eficiência alcançou 56%. Com mais junções, a eficiência cresce muito lentamente: para 36 bandas de energia diferentes, a máxima eficiência encontrada foi de 72%.

Mesmo com essa espécie de saturação do crescimento da eficiência com o aumento do número de junções em série, verifica-se que a eficiência do processo pode ser aumentada em mais de 100% com relação à eficiência com apenas uma junção, permitindo aproveitamento bem maior da energia solar disponível.

Sabe-se que Si, GaAs e CdTe, utilizados comercialmente para a fabricação de células fotovoltaicas, possuem elevado rendimento em comparação aos demais materiais. Porém, existem pesquisas em andamento com relação a células que possuem multiintervalos entre bandas, em vez de possuírem multijunções, permitindo a obtenção de 50% de eficiência com uma única junção, por meio de uma liga de zinco, manganês e telúrio (ZnMnTe), conforme registra Shayani (2006). Isso permite a conclusão de que ainda há muito progresso a ser feito para a melhoria da eficiência das células fotovoltaicas.

Aldabó (2002) sugere algumas estratégias para solucionar problemas de limitação de eficiência, listadas a seguir:

• A luz que é refletida pela superfície da célula pode ser minimizada por meio de tratamento da superfície. Conforme abordado por Shayani (2006), o silício, por exemplo, por ser material brilhante, reflete mais de 30% da luz incidente, diminuindo a quantidade de fótons absorvidos. Duas técnicas são utilizadas para a minimização desse fator: a primeira consiste em aplicar uma fina camada de monóxido de silício (SiO) sobre a superfície da célula, reduzindo a reflexão para cerca de 10%, sendo que uma segunda camada pode reduzi-la para menos de 4%; a segunda técnica consiste em construir a superfície não-plana, mas em formato de pirâmides ou cones, de forma que a luz refletida pela lateral de uma dessas saliências incida na lateral de outra saliência, aumentando as possibilidades de absorção.

• A perda de luz refletida pelos contatos elétricos posicionados na parte frontal da célula pode ser minimizada com a utilização de contatos transparentes.

• Os elétrons e as lacunas criados pela absorção dos fótons podem recombinar-se antes de alcançarem a junção e de a corrente elétrica ser formada. Essa recombinação pode ser minimizada em materiais policristalinos e amorfos com a utilização de ligas de hidrogênio.

• A resistência elétrica no interior do semicondutor pode ser minimizada ainda na etapa de projeto.

• A quantidade de fótons que passam através do semicondutor sem colidir com algum elétron pode ser diminuída pela utilização de materiais de alto índice de absorção. Alguns tipos de filmes possuem espessura inferior a um micrômetro, com absorção de 90% da luz incidente; já células de cristal simples e de silício policristalino devem possuir espessura entre 50 μm e 150 μm para possuir absorção efetiva.