A eficiência da célula solar refere-se à porção de energia na forma de luz solar que pode ser convertida via energia fotovoltaica em eletricidade.

A eficiência das células solares usadas em um sistema fotovoltaico, em combinação com a latitude e o clima, determina a produção anual de energia do sistema. Por exemplo, um painel solar com 20% de eficiência e uma área de 1 m2 produzirá 200 W em condições de teste padrão, mas pode produzir mais quando o sol está alto no céu e produzirá menos em condições nubladas ou quando o sol estiver baixo no céu. No centro do Colorado, que recebe uma insolação anual de 5,5 kWh / m2 / dia (ou 230W / m2), pode-se esperar que esse painel produza 440 kWh de energia por ano. No entanto, em Michigan, que recebe apenas 3,8 kWh / m2 / dia, o rendimento energético anual cairá para 280 kWh para o mesmo painel. Em latitudes mais setentrionais da Europa, os rendimentos são significativamente menores: rendimento energético anual de 175 kWh no sul da Inglaterra.

Diversos fatores afetam o valor da eficiência de conversão de uma célula, incluindo sua eficiência de refletância, eficiência termodinâmica, eficiência de separação da portadora de carga e valores de eficiência de condução. Como esses parâmetros podem ser difíceis de medir diretamente, outros parâmetros são medidos, incluindo eficiência quântica, taxa de VOC e fator de preenchimento. As perdas de refletância são explicadas pelo valor da eficiência quântica, pois afetam a “eficiência quântica externa”. As perdas de recombinação são contabilizadas pelos valores de eficiência quântica, taxa de VOC e fator de preenchimento. As perdas resistivas são predominantemente explicadas pelo valor do fator de preenchimento, mas também contribuem para a eficiência quântica e valores do coeficiente de COV.

Em dezembro de 2014, o recorde mundial de eficiência de células solares foi de 46,0%, com o uso de células solares de concentradores multi-junção, desenvolvidas a partir dos esforços de colaboração da Soitec, CEA-Leti, França, juntamente com Fraunhofer ISE, Alemanha.

Fatores que afetam a eficiência de conversão de energia
Os fatores que afetam a eficiência de conversão de energia foram expostos em um artigo de referência de William Shockley e Hans Queisser em 1961. Veja o limite de Shockley-Queisser para mais detalhes.

Limite de eficiência termodinâmica e limite de pilha infinita
Se alguém tem uma fonte de calor na temperatura Ts e dissipador de calor na temperatura Tc, o valor máximo teoricamente possível para a relação de trabalho (ou energia elétrica) obtida para fornecer calor é 1-Tc / Ts, dado por um motor térmico de Carnot . Se tomarmos 6000 K para a temperatura do Sol e 300 K para as condições ambientais na Terra, isso chega a 95%. Em 1981, Alexis de Vos e Herman Pauwels mostraram que isso é possível com uma pilha de um número infinito de células com bandas que variam do infinito (as primeiras células encontradas pelos fótons que chegam) até zero, com uma voltagem em cada célula muito próxima para a tensão de circuito aberto, igual a 95% do intervalo de banda dessa célula, e com radiação de corpo negro de 6000 K vindo de todas as direções. No entanto, a eficiência de 95% alcançada significa que a energia elétrica é de 95% da quantidade líquida de luz absorvida – a pilha emite radiação, pois tem uma temperatura diferente de zero, e essa radiação deve ser subtraída da radiação recebida ao calcular a quantidade de calor sendo transferida e a eficiência. Eles também consideraram o problema mais relevante de maximizar a saída de energia para uma pilha sendo iluminada de todas as direções pela radiação de corpo negro de 6000 K. Nesse caso, as tensões devem ser reduzidas para menos de 95% do gap (a porcentagem não é constante em todas as células). A eficiência teórica máxima calculada é de 86,8% para uma pilha de um número infinito de células, usando a radiação solar concentrada que entra. Quando a radiação recebida vem apenas de uma área do céu do tamanho do sol, o limite de eficiência cai para 68,7%.

Eficiência final
No entanto, os sistemas fotovoltaicos normais têm apenas uma junção pn e, portanto, estão sujeitos a um limite de eficiência menor, chamado de “eficiência máxima” por Shockley e Queisser. Os fótons com uma energia abaixo do intervalo de bandas do material absorvente não podem gerar um par de elétrons-furos, de modo que sua energia não é convertida em saída útil e apenas gera calor se for absorvida. Para fótons com energia acima da energia do gap, somente uma fração da energia acima do gap pode ser convertida em saída útil. Quando um fóton de maior energia é absorvido, o excesso de energia acima do gap é convertido em energia cinética da combinação de portadores. O excesso de energia cinética é convertido em calor por meio de interações fonônicas, à medida que a energia cinética dos portadores diminui para a velocidade de equilíbrio. As células tradicionais de junção única têm uma eficiência teórica máxima de 33,16%.

Células solares com materiais absorvedores de intervalo de múltiplas bandas melhoram a eficiência dividindo o espectro solar em caixas menores, onde o limite de eficiência termodinâmica é maior para cada caixa.

Eficiência quântica
Como descrito acima, quando um fóton é absorvido por uma célula solar, ele pode produzir um par de elétrons-furos. Um dos portadores pode alcançar a junção pn e contribuir para a corrente produzida pela célula solar; tal portador é dito ser coletado. Ou, as operadoras recombinam sem contribuição líquida para a corrente celular.

Eficiência quântica refere-se à porcentagem de fótons que são convertidos em corrente elétrica (isto é, transportadores coletados) quando a célula é operada sob condições de curto-circuito. A eficiência quântica “externa” de uma célula solar de silício inclui o efeito de perdas ópticas, como transmissão e reflexão.

Em particular, algumas medidas podem ser tomadas para reduzir essas perdas. As perdas de reflexão, que podem responder por até 10% da energia total incidente, podem ser drasticamente reduzidas usando uma técnica chamada texturização, um método de captura de luz que modifica o caminho médio da luz.

A eficiência quântica é mais utilmente expressa como uma medição espectral (isto é, como uma função do comprimento de onda do fotão ou energia). Como alguns comprimentos de onda são absorvidos com mais eficiência do que outros, as medições espectrais da eficiência quântica podem fornecer informações valiosas sobre a qualidade do material semicondutor e das superfícies. A eficiência quântica, por si só, não é o mesmo que a eficiência geral de conversão de energia, uma vez que não transmite informações sobre a fração de energia que é convertida pela célula solar.

Ponto de máxima potência
Uma célula solar pode operar em uma ampla faixa de voltagens (V) e correntes (I). Aumentando a carga resistiva em uma célula irradiada continuamente de zero (um curto-circuito) a um valor muito alto (um circuito aberto) pode-se determinar o ponto de máxima potência, o ponto que maximiza V × I; isto é, a carga pela qual a célula pode fornecer o máximo de energia elétrica naquele nível de irradiação. (A potência de saída é zero tanto no curto circuito quanto nos extremos do circuito aberto).

Uma célula solar de silício monocristalino de alta qualidade, à temperatura de 25 ° C, pode produzir circuito aberto de 0,60 V (VOC). A temperatura da célula a pleno sol, mesmo com temperatura de 25 ° C, provavelmente estará próxima a 45 ° C, reduzindo a tensão de circuito aberto para 0,55 V por célula. A tensão cai modestamente, com este tipo de célula, até que a corrente de curto-circuito seja aproximada (ISC). A potência máxima (com temperatura de célula de 45 ° C) é tipicamente produzida com 75% a 80% da tensão de circuito aberto (0,43 V neste caso) e 90% da corrente de curto-circuito. Essa saída pode chegar a 70% do produto VOC x ISC. A corrente de curto-circuito (ISC) de uma célula é quase proporcional à iluminação, enquanto a tensão de circuito aberto (VOC) pode cair apenas 10% com uma queda de 80% na iluminação. Células de qualidade inferior têm uma queda mais rápida na voltagem com o aumento da corrente e podem produzir apenas 1/2 VOC a 1/2 ISC. A saída de energia utilizável poderia, assim, cair de 70% do produto VOC x ISC para 50% ou até mesmo 25%. Os fornecedores que classificam a “energia” da célula solar apenas como VOC x ISC, sem fornecer curvas de carga, podem distorcer seriamente seu desempenho real.

O ponto de potência máxima de um fotovoltaico varia com a iluminação incidente. Por exemplo, o acúmulo de poeira nos painéis fotovoltaicos reduz o ponto de potência máxima. Para sistemas grandes o suficiente para justificar a despesa extra, um rastreador de ponto de potência máxima rastreia a potência instantânea medindo continuamente a tensão e a corrente (e, portanto, a transferência de energia) e usa essas informações para ajustar dinamicamente a carga para que a energia máxima seja sempre transferida , independentemente da variação na iluminação.

Fator de preenchimento
Outro termo definidor no comportamento geral de uma célula solar é o fator de preenchimento (FF). Este fator é uma medida da qualidade de uma célula solar. Esta é a potência disponível no ponto de potência máxima (Pm) dividido pela tensão de circuito aberto (VOC) e pela corrente de curto-circuito (ISC):

O fator de preenchimento pode ser representado graficamente pela varredura IV, onde é a razão das diferentes áreas retangulares.

O fator de preenchimento é diretamente afetado pelos valores da série da célula, resistências de shunt e perdas de diodos. Aumentar a resistência à derivação (Rsh) e diminuir a resistência em série (Rs) leva a um fator de preenchimento mais alto, resultando em maior eficiência e aproximando a potência de saída da célula de seu máximo teórico.

Os fatores típicos de preenchimento variam de 50% a 82%. O fator de preenchimento para uma célula PV de silício normal é de 80%.

Comparação
A eficiência da conversão de energia é medida dividindo a saída elétrica pela potência da luz incidente. Fatores que influenciam o output incluem distribuição espectral, distribuição espacial de energia, temperatura e carga resistiva. O padrão IEC 61215 é usado para comparar o desempenho de células e é projetado em torno da temperatura e condições (terrestres, temperadas) (STC): irradiância de 1 kW / m2, uma distribuição espectral próxima à radiação solar através de AM (massa de ar) de 1,5 e uma temperatura de célula 25 ° C. A carga resistiva é variada até que o pico ou o ponto de potência máxima (MPP) seja alcançado. A energia neste momento é registrada como Watt-peak (Wp). O mesmo padrão é usado para medir a potência e a eficiência dos módulos fotovoltaicos.

A massa de ar afeta a saída. No espaço, onde não há atmosfera, o espectro do sol é relativamente não-filtrado. No entanto, na terra, o ar filtra a luz que entra, alterando o espectro solar. O efeito de filtragem varia de Air Mass 0 (AM0) no espaço até aproximadamente Air Mass 1.5 na Terra. Multiplicar as diferenças espectrais pela eficiência quântica da célula solar em questão produz a eficiência. As eficiências terrestres geralmente são maiores que as eficiências espaciais. Por exemplo, uma célula solar de silício no espaço pode ter uma eficiência de 14% em AM0, mas 16% em terra em AM 1,5. Note, no entanto, que o número de fótons incidentes no espaço é consideravelmente maior, então a célula solar pode produzir consideravelmente mais energia no espaço, apesar da menor eficiência, conforme indicado pela porcentagem reduzida da energia total incidente capturada.

As eficiências de células solares variam de 6% para células solares baseadas em silício amorfo a 44,0% com células de produção de junção múltipla e 44,4% com múltiplas matrizes montadas em um pacote híbrido. As eficiências de conversão de energia das células solares para as células solares de Si multicrystalline disponíveis comercialmente estão em torno de 14-19%. As células de maior eficiência nem sempre foram as mais econômicas – por exemplo, uma célula multijunção 30% eficiente baseada em materiais exóticos como arseneto de gálio ou seleneto de índio produzido em baixo volume pode custar cem vezes mais do que um silício amorfo eficiente de 8%. célula em produção em massa, enquanto fornece apenas cerca de quatro vezes a produção.

No entanto, existe uma maneira de “aumentar” a energia solar. Ao aumentar a intensidade da luz, os portadores tipicamente fotogerados aumentam, aumentando a eficiência em até 15%. Esses chamados “sistemas concentradores” só começaram a se tornar competitivos em custo como resultado do desenvolvimento de células GaAs de alta eficiência. O aumento da intensidade é tipicamente realizado usando óptica de concentração. Um sistema concentrador típico pode usar uma intensidade de luz de 6 a 400 vezes o sol e aumentar a eficiência de uma célula de GaAs de um sol de 31% de 1,5 a 35%.

Um método comum usado para expressar os custos econômicos é calcular um preço por quilowatt-hora (kWh) entregue. A eficiência da célula solar em combinação com a irradiação disponível tem uma grande influência nos custos, mas em geral a eficiência geral do sistema é importante. As células solares comercialmente disponíveis (a partir de 2006) atingiram eficiências de sistema entre 5 e 19%.

Dispositivos de silício cristalino sem dopagem estão se aproximando da eficiência limitante teórica de 29,43%. Em 2017, a eficiência de 26,63% foi alcançada em uma célula de heterojunção de silício amorfo / silício cristalino que coloca contatos positivos e negativos na parte de trás da célula.

Recuperação de energia
O tempo de recuperação de energia é definido como o tempo de recuperação necessário para gerar a energia gasta na fabricação de um módulo fotovoltaico moderno. Em 2008, estimava-se que fosse de 1 a 4 anos, dependendo do tipo e localização do módulo. Com uma vida útil típica de 20 a 30 anos, isso significa que as células solares modernas seriam produtoras líquidas de energia, ou seja, gerariam mais energia ao longo de sua vida útil do que a energia gasta na sua produção. Geralmente, as tecnologias de filme fino – apesar de terem eficiências de conversão comparativamente baixas – atingem tempos de retorno de energia significativamente mais curtos do que os sistemas convencionais (muitas vezes & lt; 1 ano).

Um estudo publicado em 2013, que a literatura existente descobriu que o tempo de retorno de energia estava entre 0,75 e 3,5 anos, com células de filme fino sendo na extremidade inferior e multi-si-células com um tempo de retorno de 1,5-2,6 anos. Uma revisão de 2015 avaliou o tempo de retorno de energia e EROI de energia solar fotovoltaica. Neste estudo meta, que utiliza uma insolação de 1700 kWh / m2 / ano e uma vida útil do sistema de 30 anos, foram encontrados média de EROIs harmonizados entre 8,7 e 34,2. O tempo médio de recuperação de energia harmonizado variou de 1,0 a 4,1 anos. Os dispositivos de silício cristalino atingem, em média, um período de retorno de energia de 2 anos.

Como qualquer outra tecnologia, a fabricação de células solares é dependente e pressupõe a existência de um complexo sistema de fabricação industrial global. Isso inclui não apenas os sistemas de fabricação normalmente contabilizados nas estimativas de energia de fabricação, mas os sistemas de mineração contingente, refino e transporte global, bem como outros sistemas de suporte críticos intensivos em energia, incluindo sistemas de finanças, informações e segurança. A incerteza desse componente energético confere incerteza a qualquer estimativa dos tempos de retorno derivados dessa estimativa, considerada por alguns como significativa.

Métodos técnicos para melhorar a eficiência

Escolhendo o condutor transparente ideal
O lado iluminado de alguns tipos de células solares, filmes finos, tem um filme condutor transparente para permitir que a luz entre no material ativo e coletar os portadores de carga gerados. Normalmente, filmes com alta transmitância e alta condutância elétrica, como o óxido de índio-estanho, polímeros condutores ou redes condutoras de nanofios são usados ​​para esse fim. Existe um trade-off entre alta transmitância e condutância elétrica, assim, a densidade ideal de nanofios condutores ou estrutura de rede condutora deve ser escolhida para alta eficiência.

Promovendo a dispersão de luz no espectro visível
Ao revestir a superfície receptora de luz da célula com pinos metálicos de tamanho nano, a eficiência da célula pode ser substancialmente aumentada, pois a luz reflete esses pinos em um ângulo oblíquo em relação à célula, aumentando o comprimento do caminho que a luz leva. através da célula, aumentando assim o número de fótons absorvidos pela célula, e assim também a quantidade de corrente gerada.

Os principais materiais utilizados para os nano-studs são prata, ouro e alumínio, para citar alguns. No entanto, ouro e prata não são muito eficientes, pois absorvem grande parte da luz no espectro visível, que contém a maior parte da energia presente na luz solar, reduzindo a quantidade de luz que chega à célula. O alumínio, por outro lado, absorve apenas a radiação ultravioleta e reflete tanto a luz visível quanto a infravermelha, de modo que a perda de energia é minimizada nessa frente. O alumínio é, portanto, capaz de aumentar a eficiência da célula em até 22% (em condições de laboratório).

Resfriamento radiativo
Um aumento na temperatura da célula solar de cerca de 1 ° C leva a uma diminuição na eficiência de cerca de 0,45%. Para evitar a diminuição da eficiência devido ao aquecimento, uma camada de cristal de sílica visivelmente transparente pode ser aplicada a um painel solar. A camada de sílica atua como um corpo térmico preto que emite calor como radiação infravermelha no espaço, resfriando a célula em até 13 ° C.

Revestimentos e texturas anti-reflexo
Revestimentos antirreflexo podem resultar em uma interferência mais destrutiva das ondas de luz incidentes do sol. Portanto, toda a luz solar seria transmitida para o fotovoltaico. Além disso, a texturização, em que a superfície de uma célula solar é alterada de forma que a luz refletida atinja a superfície novamente, é outra técnica usada para reduzir a reflexão. Essas superfícies podem ser criadas gravando ou usando litografia. Adicionar uma superfície traseira plana além de texturizar a superfície frontal ajuda a prender a luz dentro da célula por um comprimento de caminho ótico maior.

Passivação da superfície traseira
Embora muitas melhorias tenham sido feitas na parte frontal das células solares para produção em massa, a superfície traseira de alumínio está impedindo melhorias na eficiência. A eficiência de muitas células solares beneficiou-se com a criação das chamadas células emissoras e retransmissoras passivas (PERCs). A deposição química de uma pilha de camada de passivação dielétrica da superfície traseira que também é feita de um filme fino de sílica ou óxido de alumínio coberto com um filme de nitreto de silício ajuda a melhorar a eficiência das células solares de silício em mais de 1%. Isso ajuda a aumentar a eficiência da célula para o material comercial de wafer Cz-Si para 20,2% e a eficiência da célula para o quase mono-Si para um recorde de 19,9%.

Materiais de película fina
Materiais de película fina mostram muita promessa para células solares em termos de baixo custo e adaptabilidade a estruturas e estruturas existentes em tecnologia. No entanto, uma vez que os materiais são tão finos, eles não têm a absorção óptica que as células solares de material a granel têm. Enquanto as tentativas de corrigir este problema foram tentadas, mais importante é o foco na recombinação da superfície do filme fino. Como esse é o processo dominante de recombinação de células solares de película fina em nanoescala, é crucial para sua eficiência. Adicionar uma camada fina de dióxido de silício passivante pode reduzir a recombinação.