Estrutura das células solares de película fina

Como a estrutura e o funcionamento estão muito relacionados às células solares, vamos dedicar um momento para rever como elas funcionam. A ciência básica por trás das células solares de película fina é a mesma das células de silício tradicionais.

As células fotovoltaicas se baseiam em substâncias conhecidas como semicondutores, que são isolantes em suas formas puras, mas capazes de conduzir eletricidade quando aquecidos ou combinados com outros materiais. Um semicondutor misturado, ou "dopado", com fósforo gera um excesso de elétrons livres - o que é conhecido como um semicondutor do tipo n. Um semicondutor dopado com outros materiais, como o boro, gera um excesso de espaços "vagos" que aceitam elétrons - o que conhecemos como um semicondutor do tipo p.

Uma célula PV se junta aos materiais do tipo n e p, com uma camada no meio conhecida como junção. Mesmo na falta de luz, um pequeno número de elétrons se movimenta ao longo da junção a partir do semicondutor de tipo n ao de tipo p, produzindo uma voltagem baixa. Na presença da luz, os fótons desencadeiam um grande número de elétrons, que fluem ao longo da junção para gerarem uma corrente. Essa corrente pode ser utilizada para energizar aparelhos elétricos, desde lâmpadas até carregadores de celular.

As células solares tradicionais utilizam o silício nas camadas dos tipos n e p. Mas a  mais nova geração de células solares de película fina utiliza finas camadas de telureto de cádmio (CdTe) ou disseleneto de cobre, índio e gálio (CIGS). Uma empresa, a Nanosolar, com sede em San José, Califórnia, desenvolveu um método para fabricar o material de CIGS como uma tinta contendo nanopartículas. Uma nanopartícula é uma partícula com pelo menos uma dimensão menor do que 100 nanômetros (um bilionésimo de metro, ou 1/1.000.000.000 m). Existindo como nanopartículas, os quatro elementos se juntam em uma distribuição uniforme, garantindo que o valor atômico dos elementos esteja sempre correto.

As camadas que formam as duas células solares de filmes de película que não utilizam silício são mostradas abaixo. Observe que há duas configurações básicas da célula solar de CIGS. A célula de CIGS em vidro requer uma camada de molibdênio para gerar um eletrodo eficaz. Essa camada extra não é necessária na célula de CIGS em chapa metálica porque essa chapa age como o eletrodo. Uma camada de óxido de zinco (ZnO) faz o papel do outro eletrodo da célula de CIGS. Entre as duas, estão mais duas camadas: o material semicondutor e o sulfato de cádmio (CdS). Essas duas camadas atuam como os materiais dos tipos n e p, que são necessários para gerar uma corrente de elétrons.

2008 HowStuffWorks
Uma célula solar de disseleneto de cobre, índio e gálio (CIGS) utilizando a chapa metálica

A célula solar de CdTe possui uma estrutura semelhante. Um eletrodo é feito de uma camada de pasta de carbono fundida com cobre, o outro é feito de óxido de estanho (SnO₂) ou estanato de cádmio (Cd₂SnO₄). Neste caso, o semicondutor é o telureto de cádmio (CdTe), que junto com o sulfato de cádmio (CdS) gera as camadas dos tipos n e p necessárias para que a célula PV funcione.

2008 HowStuffWorks
Uma célula solar de telureto de cádmio (CdTe)

Mas como a eficácia das células solares de película fina se compara à das células tradicionais? O máximo teórico das células de silício é de cerca de 50% de eficácia, significando que metade da energia que atinge a célula se converte em eletricidade. Na verdade, as células de silício atingem, em média, de 15 a 25% de eficácia. As células solares de película fina estão finalmente se tornando competitivas. A eficácia das células solares de CdTe alcançou um pouco mais do que 15% e as células solares de CIGS chegaram aos 20% de eficácia.

Existem preocupações com a saúde em relação ao uso do cádmio nas células solares de película fina. O cádmio é uma substância altamente tóxica que, como o mercúrio, pode se acumular nas cadeias de alimentos, o que é um problema em qualquer tecnologia que julga fazer parte da revolução verde. O National Renewable Energy Laboratory e várias outras agências e empresas estão atualmente investigando as células solares de película fina sem cádmio. Muitas dessas tecnologias estão provando serem tão eficientes quanto as que utilizam o cádmio.

Então como são fabricadas as células solares para a próxima geração? Leia a seguir e descubra.