A célula solar é um dispositivo que converte a luz solar diretamente em energia elétrica. Esta conversão é conseguida utilizando o efeito fotovoltaico num material semicondutor, geralmente silício. As células solares são um componente chave das tecnologias de energia renovável e são amplamente utilizadas em sistemas de energia solar.
O artigo a seguir lhe dará uma visão geral da história do célula solar desenvolvimento e destacará os principais registros de eficiência até o momento.
Conteúdo
O desenvolvimento de células solares
Classificação
Eficiência da célula solar
Recordes mundiais para células solares ao longo dos anos
A diferença entre eficiência laboratorial e comercial
Principais tendências na tecnologia de células solares
Resumindo
O desenvolvimento de células solares
A história de células solares remonta ao final de 1800, quando os cientistas descobriram que certos materiais fotovoltaicos podiam produzir uma corrente elétrica quando expostos à luz. Mas foi somente em 1954 que o Bell Labs desenvolveu com sucesso a primeira célula solar de silício prática. Na década de 1960, as células solares começaram a ser utilizadas para fornecimento de energia em naves espaciais, estimulando o desenvolvimento da sua tecnologia.
A comercialização e popularização começaram na década de 1970, com o surgimento da crise energética, as células solares receberam mais atenção como fonte de energia renovável. Os avanços na tecnologia e a redução dos custos de produção permitiram que as células solares começassem a ser amplamente utilizadas em aplicações comerciais e residenciais.
Classificação
Silicone monocristalino células solares: eles são feitos de um único cristal de silício e são mais eficientes, mas relativamente caros. Eles normalmente têm alta eficiência de conversão de energia e longa vida útil.
Silicone policristalino células solares: feitos de vários pequenos cristais de silício, eles são um pouco menos eficientes que o silício monocristalino, mas custam menos.
Filme fino células solares: O silício amorfo ou outros materiais (por exemplo, CdTe, CIGS) são cobertos em camadas muito finas sobre um substrato. Essas células são mais baratas, mas normalmente menos eficientes que as células de silício cristalino.
Novo células solares: Estes incluem células solares orgânicas, células solares de calcogeneto, etc., que podem oferecer custos de fabricação mais baixos e novas possibilidades de aplicação. As células calcogenetos, em particular, podem levar a novos avanços.
Eficiência da célula solar
Célula solar a eficiência é uma métrica chave da eficiência com que uma célula solar converte a luz solar em eletricidade. Especificamente, é a relação entre a energia elétrica produzida por uma célula solar e a energia que ela recebe da radiação solar. Em outras palavras, descreve quanto da energia solar absorvida pela célula solar é eficientemente convertida em energia elétrica.
A importância da eficiência das células solares
Potência da saída: quanto maior a eficiência, mais eletricidade uma célula solar do mesmo tamanho pode produzir sob as mesmas condições de luz.
Custo-benefício: O aumento da eficiência reduz o custo unitário da eletricidade solar, tornando a energia solar mais competitiva economicamente.
Utilização do espaço: Células solares de alta eficiência podem produzir mais eletricidade em um espaço limitado, o que é especialmente importante para aplicações com espaço limitado, como sistemas solares em telhados ou pequenas instalações.
Processo de melhoria de eficiência
O desenvolvimento de células solares pode ser dividido em três etapas, cada uma das quais com seus avanços tecnológicos específicos:
Fase I: Células solares de silício cristalino
A primeira etapa do células solares é baseado principalmente em materiais de silício monocristalino e policristalino. As primeiras células solares de silício comercializadas tinham eficiências de cerca de 6%, mas com melhorias tecnológicas, as modernas células de silício monocristalino conseguiram atingir eficiências de mais de 22% em condições de laboratório.
Processo de conquista: O aumento na eficiência se deve principalmente aos avanços tecnológicos na pureza do silício, otimização da estrutura da rede, redução da refletividade, melhoria do design do eletrodo e redução da perda de energia dentro da célula.
Fase II: Células solares de película fina
Este células solares incluem seleneto de cobre, índio e gálio (CIGS), telúrio de cádmio (CdTe) e células solares de silício amorfo. A eficiência inicial destas células de película fina é baixa, geralmente em torno de 10%, mas com o desenvolvimento de materiais e tecnologia de processo, a eficiência laboratorial das células CIGS e CdTe excedeu 23%.
Isto é conseguido principalmente melhorando a capacidade de absorção de luz dos materiais de película fina, melhorando a eficiência do transporte de transportadores e otimizando a estrutura celular.
Fase III: Células solares de titanita de cálcio
Titanita de cálcio células solares são a classe de células solares que mais cresce nos últimos anos. Desde o seu primeiro relatório em 2009, a sua eficiência aumentou rapidamente dos 3.8% iniciais para mais de 33.9% actualmente.
O rápido aumento na eficiência é atribuído às vantagens exclusivas dos materiais calcogenetos, como altos coeficientes de absorção de luz, bandgaps ajustáveis e processos de fabricação simples.
Recordes mundiais para células solares ao longo dos anos
Estágio nascente de desenvolvimento (2009 ~ 2012)
2009, eficiência de conversão de energia 3.5%: O cientista japonês Miyasaka usou material de calcogeneto para células solares sensibilizadas por corante como material absorvente de luz, mas o material era instável e falhou após alguns minutos.
2011, eficiência de conversão de energia 6.5%: Nam-Gyu Park, Universidade Sungkyunkwan, Coreia do Sul, melhorou a tecnologia de células solares de calcogeneto, aumentando drasticamente a eficiência de conversão fotoelétrica, mas o material ainda é instável devido ao eletrólito líquido ainda em uso, e a eficiência foi reduzida em 80% após alguns minutos.
2012, eficiência de conversão de energia 10%: O grupo de Henry Snaith da Universidade de Oxford introduziu o material de transporte Spiro-OMeTA, percebeu o estado sólido da célula de calcogeneto, melhorou ainda mais a eficiência de conversão e o desempenho fotovoltaico não decaiu obviamente após 500 horas, demonstrando excelente desempenho de estabilidade.
Estágio inicial de desenvolvimento (2012~2015)
Em 2012, Henry Snaith, da Universidade de Oxford, substituiu o TiO2 na célula por alumínio (A1203) e, desde então, a calcita não só tem sido uma camada absorvente de luz na célula, mas também serviu como material semicondutor para transferência de carga elétrica.
Em 2013, o calcogeneto foi selecionado como um dos 10 principais avanços científicos na Science 2013.
Em 2015, eficiência de conversão energética de 15%: China, Japão e Suíça cooperaram para fabricar células solares de calcogeneto de grande área (área de trabalho superior a 1 CM2), que foram certificadas por autoridades internacionais.
Estágio de rápido desenvolvimento (2016 até o presente)
2016, eficiência de conversão de energia 19.6%: O grupo do Prof. Gratzel no Instituto Federal Suíço de Tecnologia em Lausanne aumentou a eficiência certificada para 19.6%.
2018, eficiência de conversão de energia 23.7%: o Instituto de Pesquisa de Semicondutores da Academia Chinesa de Ciências propôs a passivação com sal orgânico de defeitos superficiais de calcogeneto, aumentando sucessivamente a eficiência de conversão para 23.3% e 23.7%.
2021, eficiência de conversão de energia 29.8%: O Helmholtz Center Berlin (HZB) desenvolveu uma eficiência de conversão de bateria tandem de calcogeneto de 29.8%, excedendo o limite de eficiência de junção heterogênea (HJT), TOPCon e outras tecnologias de silício cristalino.
2022, eficiência de conversão energética de 31.3%: a Ecole Polytechnique Fédérale de Lausanne (EPFL) e o Centro Suíço de Eletrônica e Microtecnologia (CSEM) criaram células fotovoltaicas empilhadas de calcogeneto-silício com uma eficiência de conversão de 31.3%.
2023, eficiência de conversão de energia 33.9%: A eficiência da célula empilhada de silício-calcita cristalina desenvolvida independentemente pela LONGi Green Energy Technology Co. da China atinge 33.9%, ultrapassando o limite de eficiência teórica Shockley-Quayther (SQ) de 33.7% para células de junção única.
A diferença entre eficiência laboratorial e comercial
A eficiência laboratorial e a eficiência de comercialização são duas métricas diferentes para avaliar o desempenho das células solares, e existem algumas diferenças importantes entre elas:
Eficiência laboratorial
Definição:
A eficiência do laboratório é a eficiência máxima de um célula solar medido sob condições laboratoriais idealizadas. Isso geralmente envolve condições de teste padrão (STC), como uma intensidade de luz específica (1000 W/m²), uma distribuição espectral especificada e uma temperatura fixa (geralmente 25°C).
Características:
As eficiências do laboratório são normalmente medidas sob condições de teste otimizadas, definidas para maximizar o desempenho da célula.
Essas eficiências são geralmente medidas para células individuais ou pequenas amostras de células, em vez de para um painel ou sistema solar inteiro.
As eficiências laboratoriais refletem o limite superior do potencial técnico de uma célula solar.
Eficiência de comercialização
Definição:
A eficiência de comercialização é a eficiência média de células solares ou painéis solares que são realmente produzidos e colocados em uso no mercado. É o nível de desempenho que os consumidores podem esperar ao adquirir e utilizar um sistema de células solares.
Características:
A eficiência de comercialização é normalmente inferior à eficiência de laboratório porque deve levar em conta uma variedade de fatores práticos no processo de produção em massa, tais como variações de materiais, tolerâncias de fabricação e confiabilidade a longo prazo.
Essa eficiência é medida em condições mais próximas das condições reais de operação, incluindo variações de temperatura, condições de luz e possível sombreamento.
As eficiências comercializadas refletem mais o desempenho real das células solares no uso diário.
Diferenças
Eficiência: A eficiência laboratorial costuma ser superior à eficiência comercial porque é obtida em condições idealizadas.
Aplicação: A eficiência laboratorial é mais utilizada em pesquisa e desenvolvimento para promover novos avanços tecnológicos; enquanto a eficiência comercializada se concentra no desempenho real do produto e na competitividade do mercado.
Custo: Quando a eficiência comercializada é alcançada, o custo de produção e a viabilidade da produção em larga escala também precisam ser considerados, o que geralmente não é uma consideração importante na determinação da eficiência laboratorial.
Principais tendências na tecnologia de células solares
Avanços futuros em célula solar a tecnologia está centrada em melhorar a eficiência, reduzir custos, aumentar a durabilidade e adaptar-se às necessidades de diversas aplicações. A seguir está uma visão detalhada dessas tendências:
Maior eficiência de conversão de energia
Células solares multijunções: Ao empilhar materiais semicondutores com diferentes bandgaps, as células solares multijunções podem absorver uma faixa mais ampla de luz solar, melhorando assim a eficiência geral. Mais células solares de junção tripla e até mesmo de junção quádrupla poderão ser vistas no futuro.
Combinação de calcogeneto e silício: A combinação de células solares de calcogeneto com células convencionais de silício para formar células solares híbridas ou empilhadas pode oferecer maior eficiência e melhor resposta espectral.
Reduzindo custos e melhorando a sustentabilidade
Produção em escala: Espera-se que o custo de fabricação de células solares diminua ainda mais à medida que a tecnologia amadurece e a produção em escala é realizada.
Materiais renováveis: A investigação e o desenvolvimento de materiais recicláveis mais ecológicos e a redução da dependência de materiais raros e tóxicos ajudarão a melhorar a sustentabilidade ambiental das células solares.
Maior durabilidade e confiabilidade
Melhorar a estabilidade a longo prazo: Os pesquisadores pretendem melhorar a estabilidade a longo prazo e a resistência às intempéries das células solares para lidar com uma variedade de condições ambientais e prolongar sua vida útil.
Materiais de autocura: Desenvolva materiais para células solares que possam reparar pequenos danos para manter alta eficiência a longo prazo.
Resumindo
A melhoria da eficiência de células solares entrou em um estágio rápido, especialmente com a utilização prática de células de calcogeneto que trarão nova vitalidade a este campo. A melhoria contínua na eficiência das células solares é um fator chave que impulsiona o desenvolvimento da tecnologia solar e a adoção pelo mercado.
Através de inovações na ciência dos materiais, design avançado de células e progresso na tecnologia de fabricação, as células solares estão se tornando mais eficientes, econômicas e confiáveis. Com novas melhorias na eficiência e a aplicação de novas tecnologias, podemos esperar que estas proporcionem soluções energéticas mais fiáveis e económicas para residências e empresas.
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