UNIVERSIDADE FEDERAL DE SÃO CARLOS CENTRO DE CIÊNCIAS EXATAS E TECNOLOGICAS DEPARTAMENTO DE FÍSICAEstrutura e Propriedades dos Sólidos Célula Solares, foco na eficiência. Professor: Prof. Dr. Adenilson José Chiquito Autores: Felipe Maion Garcia Gustavo Fernandes Brito Nayana Frizon RA: 280526 RA: 282693 RA: 280577 ÍNDICE Apresentação:.............................................................................4 Fundamentos Teóricos.................................................................4 Energia Solar e a Terra:.............................................................4 Semicondutor com junção p-n....................................................4 Foto-excitação..........................................................................7 Métricas importantes ................................................................8 Célula Solar de Cristal de Silício..................................................12 Células Solares de Filmes-Finos..................................................14 Célula Solar Dye – Célula Solar com Corante [5]...........................15 Operação................................................................................15 Eficiência................................................................................16 Desenvolvimento.....................................................................17 Inovações..................................................................................17 Fotodiodo...............................................................................................19 Elétrons em fila indiana.........................................................................20 Problemas à frente.................................................................................20 Células Solares Cristalinas – Recorde de Eficiência.[10].............20 Conclusões:...............................................................................24 Bibliografia:...............................................................................24 Lista de Figuras Figura 1: Esquemático da junção p-n [2]........................................5 Figura 2: junção p-n sem potencial externo aplicado [3].................6 Figura 3: junção p-n com polarização direta [3].............................6 Figura 4: junção p-n com polarização inversa [3]...........................6 Figura 5: geração elétron-buraco [4].............................................7 .........18 Figura 14: Célula Solar de Nanotubos de Carbono [Imagem: N..... (b) axial InAs/InP double-barrier heterostructure..9 Figura 8: Eficiência ideal de células solares a 300K para concentrações de 1-sol e 1000-sols [4]........................................20 Figura 15: Célula Solar Nanofios [12]....23 Figura 16: Examples of complex epitaxial nanowire structures grown by Sol®................ (a) GaP nanotrees........................................10 Figura 9: taxa de geração como função da distância para longo e curto comprimento de onda [4]............................................ Gabor et al....................................... Determinação da máxima potência de saída indicada...............13 Figura 11: (a) célula texturizada com superfícies piramidais...................12 Figura 10: diagrama de bandas de energia para junção back-surface field n+-p-p+............................ (e) from the top................................................... [4].......................................... (c) GaN nanowires grown on GaN.................../Science]............................................23 . (b) caminho ótico mostrando o aprisionamento da luz para redução da reflexão.....................................14 Figura 12: Célula Dye..................................Figura 6Figura 6: ilustração da foto-geração [2]........... radial GaAs/GaInP core-shell heterostructures (d) from the side...........15 Figura 13:Célula Solar Tripla Junção Invertida [Imagem: John F.................................. Geisz/Daniel Friedman].7 Figura 7: I-V característica de uma célula solar.............................................................................................................. outros 1 120 Q é empregado na evaporação da água no planeta. chamado de fluxo de potência em condições AM1 [19]. isso se aproxima de 1 570 Q. Essa energia é fora da atmosfera e é denominada energia em condições AM0 – air-masszero. além de uma pesquisa das atuais tendências e métodos atuais empregados nos laboratórios mundiais. porém. Esse dispositivo é conhecido como diodo.1353W/cm². Iremos adotar. oceano e terra. aquecer a superfície. As células solares artificiais são fabricadas utilizando materiais semicondutores que serão explicados no próximo tópico. para o presente trabalho.Apresentação: A questão relacionada à geração de energia é um tema atual e relevante para a manutenção de nossa sociedade.107W/cm². que equivale a um fluxo anual de energia de 1186 kWh/cm².93x1014 kWh] que é aproximadamente 12 000 vezes o consumo atual da raça humana. Uma empresa quer atuar no desenvolvimento de células solares que possam ter uma eficiência otimizada a um custo razoável. [19] Nem toda essa energia atinge a superfície do planeta.5. como a potencia média fornecida como constante: 0. Semicondutor com junção p-n Semicondutor é um material que possui condutividade elétrica entre o condutor e o isolante [1]. 2 490 Q é disponível para os propósitos de fotossíntese. No Brasil considera-se AM1. o restante. Fundamentos Teóricos Energia Solar e a Terra: A fusão nuclear que ocorrem no Sol fornece a Terra uma energia total de 173x10¹² kWh. e fornecer energia para a raça humana. Nesse trabalho propõem-se responder a pergunta se há novos materiais para melhorar o rendimento das células solares? E se as células atuais de silícios podem ser melhoradas? Para isso fez-se considerações teóricas do funcionamento do mecanismo foto voltaicas. . Durante um ano isso corresponde a 5 160 Q [ 1 Q = 1018 Btu = 2. ao atingir a atmosfera da Terra uma série de perturbações decai esse fluxo de potência para 0. Quando se fala em junção p-n é uma referência ao contato entre semicondutores que possuem dopagem do tipo p e do tipo n. parte dessa energia é refletida por nuvens. é a polarização externa aplicada. chegará um ponto onde o campo elétrico gerado pela diferença de cargas criará uma barreira de potencial. chega-se que a região de depleção é dada pela equação: Onde q é carga do elétron. A combinação dos dois tipos de portadores formam. respectivamente [4]. é permissividade do material. limitando com a difusão. atraídos pelos buracos. A difusão dos portadores de carga não acontece indefinidamente. nos lados da junção. Figura 1: Esquemático da junção p-n [2] Resolvendo a equação de Poisson. e o inverso também ocorre com os buracos do semicondutor do tipo p. é o potencial intrínseco do material. uma região com reduzido número de portadores livres. os portadores de carga elétrica são os buracos (positivos) e nos do tipo n os portadores são elétrons (negativos). . e Na e Nb são os números de portadores de carga no semicondutor tipo p e no semicondutor do tipo n. Na interface da junção ocorre um arranjo de cargas: os elétrons do semicondutor do tipo n se difundem no semicondutor do tipo p. chamada de depleção.m semicondutores do tipo p. respectivamente. Vfwd é polarização direta. e φn e φp são os níveis Quase-Fermi para elétrons e buracos. w é o tamanho da região de depleção. Ln e Lp são os comprimentos de difusão para elétrons e buracos. EF é o nível de Fermi termodinamicamente no equilíbrio. respectivamente. EC é o nível de condução. Ev é o nível de valência. Outro parâmetro de grande importância é a capacitância associada com a variação de cargas de depleção: Uma alta capacitância faz diminuir a passagem de corrente na região de depleção. a região de . Existe outra coisa a se pensar em relação ao diodo: para ele ter uma alta velocidade de operação.Figura 2: junção p-n sem potencial externo aplicado [3] Figura 3: junção polarização direta [3] p-n com Figura 4: junção polarização inversa [3] p-n com Nas figuras acima. Vrev é polarização reversa. também chamado de fotodiodo.depleção dever ser fina. gerando assim uma corrente. A energia do fóton é: (3) . deixando para trás um buraco. Figura 5: geração elétron-buraco [4] Esses elétrons que estão na banda de condução são livres para percorrer a rede. podendo ser capturados por terminais elétricos. mas para se ter maior absorção de luz. a região de depleção deve ser larga. Isto acaba sendo um paradoxo que pode ser resolvido experimentalmente mudando os parâmetros de acordo com o resultado que se deseja ter [4]. Foto-excitação Quando fótons incidem sobre o material semicondutor com junção p-n. que é conhecida como foto-corrente. Figura 6Figura 6: ilustração da foto-geração [2] A foto-geração de pares elétron-buraco está intimamente ligada com o comprimento de onda da luz incidida e com uma característica intrínseca do material: o gap de energia. excitam elétrons que saem da banda de valência e vão para a banda de condução. pois um fóton que possui energia menor que a do gap do material não gera pares elétron-buraco. como já dito. Quanto maior o CA. reflexão e etc. [4] Métricas importantes Uma métrica básica para cálculo de eficiência de conversão de fótons em pares elétron-buraco é chamada Eficiência Quântica ( : Sendo a foto corrente. Um fóton que eventualmente possua energia maior que a do gap produz pares elétron-buraco. assim. de onda está ligado com a energia de transição de operação do dispositivo pela equação: A equação (4) mostra o comprimento de onda mínimo limite que consegue ser detectável. a luz será mais bem absorvida para realizar a fotogeração. é o fluxo de fótons. construindo um dispositivo com espessura maior que o coeficiente de penetração. maior será a absorção em camadas mais profundas do semicondutor. Em uma célula solar a foto-corrente é dada por: . o coeficiente de absorção (CA). Existe também outro parâmetro que determina se a luz pode ser absorvida para foto-excitação e também indica onde a luz é absorvida. potência devido à Outra métrica é a Responsividade (R). maior será a absorção da luz na superfície. para se ter uma melhor absorção de luz no material deve-se conhecer o coeficiente de penetração da luz no mesmo. tendo como referência a potência ótica: Responsividade é uma medida da saída elétrica por entrada ótica no dispositivo. à incompleta absorção. ótica. e quanto menor for o CA.O comprimento. As perdas nesse processo podem ocorrer recombinação. mas o excesso de energia é perdido na forma de calor. Porém. Onde dispositivo. Determinação da máxima potência de saída indicada. é a densidade de fluxo de elétrons e A é a área do A corrente gerada num dispositivo sob iluminação é uma combinação da corrente no escuro com a foto-corrente: A corrente ideal de saturação é: (9) Plotando a equação (8) temos um gráfico I x V que fornece curvas das correntes do dispositivo quando está sob iluminação e quando não está: Figura 7: I-V característica de uma célula solar. [4] Tem-se que nas condições de máximo: (10) (11) onde . . é a tensão máxima. Existe forma para dar um valor de eficiência baseado nas taxas de potências: Assim a eficiência teórica pode ser calculada. é corrente de curto-circuito. é a corrente de curto-circuito. mas em células solares a eficiência é menor devido a correntes como a de recombinação que é dada por: . Figura 8: Eficiência ideal de células solares a 300K para concentrações de 1-sol e 1000-sols [4] Os cálculos apresentados são para o caso ideal.A potência máxima de saída é: Têm-se o Fill Factor (fator de preenchimento): Onde é corrente máxima. O figura 4 mostra algumas eficiências teóricas. Outra medida importante é a taxa de geração de pares elétronburaco a uma distância x da superfície do semicondutor: (16) Onde é o coeficiente de absorção. Para células solares que possuem misturas de corrente de difusão e corrente de recombinação.(15) Recombinação é um termo utilizado que se refere ao anulamento do par elétron-buraco. . é o número de fótons é a fração incidentes por área por tempo por largura de banda. ou correntes devido a outros fatores. a extensão da difusão irá aumentar porque a constante de difusão permanece a mesma ou aumenta com a temperatura. Existe também outro problema relacionado com a temperatura que é a limitação que a energia térmica do material trás quando . não permitindo a foto-geração. a tensão de circuito aberto decrescerá rapidamente por causa da dependência exponencial com a corrente de saturação com a temperatura. A eficiência decresce com n e também com a temperatura. e o tempo de vida dos portadores minoritários aumenta com a temperatura. Contudo. e de fótons refletidos pela superfície. Quando isso acontece. o efeito global provoca uma redução na eficiência com o aumento da temperatura. O aumento da extensão da difusão dos portadores minoritários aumentará a foto-corrente . Portanto. a recombinação acontece quando um elétron se une a um buraco. A temperatura é um fator de complicação do dispositivo. a corrente de saída apresentará uma dependência exponencial com a tensão da forma exp (qV/nkT) onde n é chamado de fator de idealidade e geralmente é um número entre 1 – 2. isto é. A degradação na suavidade no joelho da curva I-V com o aumento da temperatura vai também reduzir Fill Factor. Conforme ela aumenta no dispositivo. diminuindo o valor da fotocorrenteproduzida. a energia do fóton é perdida em maior parte para a vibração da rede (fônons) e em menor escala por decaimento. Um dos problemas com este método é que quando o cristal “cresce”. ou seja. O maior custo das células de Si é no substrato. que são fatias de silício cortadas de um cristal de silício maior. O silício pode ser utilizado de diversas formas para produzir as células. A maior eficiência alcançada foi superior a 22%. O problema é que este tipo de célula é menos eficiente que o anterior. poupando espaço quando se agrupam muitas delas num painel solar. possuem razoável equilíbrio entre custo e desempenho. o que resulta em células quadradas. o grande número de pesquisas têm como objetivo a redução dos custos do crescimento do cristal. que aumentou a voltagem de saída das células convencionais. para que a energia solar cause um impacto nas matrizes energéticas dos países. Célula Solar de Cristal de Silício Células de silício são as mais utilizadas e mais simples de serem encontradas no mercado. ele vai produzir uma célula solar arredondada. muitos desafios estão à frente para serem buscados e alcançados. Um esquemático está mostrado na figura 10: . Uma das melhorias desenvolvidas é a técnica Back Surface Field (BSF). o exige muito espaço desperdiçado na sua arrumação. Outro tipo é o das células “policristalinas”.Figura 9: taxa de geração como função da distância para longo e curto comprimento de onda [4] Configuração dos dispositivos As características mais importantes para as células solares são: alta eficiência. Este monocristal de silício é aparentemente redondo ou quadrado com os cantos arredondados. Muitos tipos de inovações têm proposto e demonstrado grande sucessos para alcançar essas características. baixo custo e boa confiabilidade. O seu processo de produção é diferente. A técnica mais eficiente é a chamada “célula solar monocristalina”. que não é a forma ideal para poder ser “arrumada” em painéis solares com muitas células. Porém. embora seja mais barato de produzir e tenha menos desperdício. porém a parte de trás é altamente dopada próximo ao contato.Figura 10: diagrama de bandas de energia para junção back-surface field n+-p-p+. A célula BSF é equivalente a uma célula normal tendo uma velocidade de recombinação Sn baixa ( ). a textura das superfícies. diminuição da velocidade de recombinação na parte de trás do contato. A luz que incide em uma das faces de uma pirâmide é refletida para outra pirâmide ao invés de serem jogadas para fora da célula. A reflexão em células de Si descobertas é reduzida de 35% para superfícies planas para 20% em superfícies texturizadas. Baixa velocidade de recombinação reforça a resposta espectral para baixas energias de fótons. Células texturizadas possuem. e a adição da energia potencial . A adição de camada anti-reflexo reduz a reflexão total em alguns porcentos. Para reduzir a reflexão de luz. devem ser utilizadas para prender a luz. Um esquema de superfícies piramidais está mostrado na figura 11: . Como conseqüência. tanto da frente quanto de trás. por exemplo. A superfície da frente da célula é feita da maneira tradicional. a densidade de corrente de curto-circuito aumenta. A voltagem de circuito aberto aumenta devido ao aumento da corrente de curto-circuito. A barreira de energia potencial criada tende a confinar os elétrons na região com dopagem menor e isso ajuda a levá-los para a região da frente. superfícies piramidais. 6 eV. ou silício metalúrgico. Se o coeficiente de absorção está situado na faixa de 104 a 105 cm-1 em toda a parte visível do espectro solar. A desvantagem é a baixa eficiência e a instabilidade em longo prazo. cerâmica. Assim.5 eV. A maior vantagem do filme-fino é a promessa de baixos custos. e galvanização. Quando filmes finos são depositados. . muitos portadores de carga são fotogerados em uma fração de mícron da superfície iluminada. praticamente toda a luz será absorvida. A concentração de traps pode degradar o desempenho da célula. plástico. evaporação de plasma. metal.1 μm. há buracos (traps). e se o comprimento de difusão é maior do que a espessura do filme. Silício amorfo é um material bem estudado para filmes-finos de células solares. grafite.Figura 11: (a) célula texturizada com superfícies piramidais. (b) caminho ótico mostrando o aprisionamento da luz para redução da reflexão. Camada fina de semicondutor pode ser depositada sobre um substrato de várias maneiras. O cristalino possui um bandgap indireto de 1. Sendo a espessura do filme fino aproximadamente 0. bandgap de 1. enquanto que o amorfo tem uma absorção ótica característica que se assemelha ao esperado para um cristal com bandgap direto de 1. Se a espessura do semicondutor é mais que o comprimento de absorção. A baixa eficiência é em parte causada pelo efeito de “grão-de-borda” e pela pobre qualidade do material semicondutor crescer em substratos estranhos. como crescimento a vapor. como o vidro. concentração de traps maior que a carga líquida no espaço e assumindo a constante dielétrica sendo 4. Células Solares de Filmes-Finos As camadas condutoras ativas são silício amorfo depositado ou formado em substratos eletricamente ativos ou passivos. invariavelmente.1 eV. (fazendo algumas contas) implica que concentrações de traps maiores que 1017 cm-3 podem ser toleradas sem causar sérios distúrbios no campo elétrico do dispositivo e assim não diminuindo o desempenho. devido ao baixo custo de produção. A diferença entre o silício amorfo com o cristalino é dramática. mais cargas fotogeradas podem ser coletadas. Outro problema é a pobre estabilidade que é causada pela reação química do semicondutor com o ambiente que possui O2 e vapor d’água. procedimentos devem ser tomados para garantir certa confiabilidade do filme-fino. Figura 12: Célula Dye Entretanto. em comparação com o tempo que leva para o elétron injetado se recombinar com a molécula do corante oxidado.Célula Solar Dye – Célula Solar com Corante [5] Operação A luz solar entra na célula através do contato superior transparente e colide com o corante sobre a superfície do TiO2. e de lá ele se move por difusão (como um resultado de um gradiente de concentração do elétron) para o ânodo “em cima. . Em seguida. evitando esta reação de recombinação. a molécula do corante perdeu um elétron e esta irá se decompor se outro elétron não for fornecido. o tri-iodeto recupera seu elétron por difusão mecânica para o fundo da célula. Fótons chegam no corante com energia suficiente para ser absorvida e criam um estado excitado no corante. que seria efetivamente um curto-circuito da célula solar. a partir do qual um elétron pode ser “injetado" diretamente na banda de condução do TiO2. Esta reação ocorre muito rapidamente. onde o contra eletrodo re-introduz os elétrons após fluir através do circuito externo. Em termos de tensão. em comparação com 0. isto é conhecido como a eficiência de conversão solar. contudo a real diferença é dominada pela produção corrente. Para comparação. Ou seja. Finalmente. A taxa de absorção de fótons depende do espectro de absorção das camadas de TiO2 sensibilizadas e do fluxo do espectro solar. A eficiência quântica de projetos tradicionais variam dependendo de sua espessura. DSSCs são extremamente eficientes.7 V em condições de iluminação solar (COV). o que significa que menos de fótons da luz solar são utilizáveis para a geração atual. A mais óbvia é a quantidade total de energia elétrica produzida por uma determinada quantidade de energia solar brilhando sobre a célula. Normalmente. Devido à sua profundidade. cerca de 0. Embora o corante seja altamente eficiente na transformação de fótons absorvidos em elétrons livres no TiO2.7 V. A energia elétrica é o produto da tensão e corrente. seria lido cerca de 0. JSC e Voc respectivamente.7 V. a “eficiência quântica" é usada para comparar a chance de que um fóton (de uma energia especial) criará um elétron. e os corantes são muito eficazes em convertê-los em elétrons. em comparação com o silício. apenas os fótons que são absorvidos pelo corante conduzem o que está sendo produzido. Isso é uma razoável diferença. Em termos de eficiência quântica. mas são aproximadamente o mesmo que o DSSC. a fim de compreender a física subjacente.Eficiência Existem várias medidas importantes que são utilizadas para caracterizar as células solares. DSSCs oferecem Voc ligeiramente maior do que o silício. é simplesmente a diferença entre o quasi Nível de Fermi do TiO2 e o potencial redox do eletrólito. assim que os valores máximos para essas medidas são importantes. se um DSSC iluminado está ligado a um voltímetro em um circuito aberto. ou perdas óticas na parte da frente do eletrodo. na nanoestrutura há uma chance muito alta de que um fóton seja absorvido. Jsc. tem-se menor absorção na parte vermelha do espectro. usando moléculas de corante. A maioria das pequenas perdas que existem em DSSC são devidas a perdas de condução do TiO2 e à limpeza do eletrodo. Expressa em percentagem.6 V. uma base de silício . bem como. A sobreposição entre esses dois espectros de foto-correntedetermina o máximo possível. cerca de 0. em teoria. Esses fatores limitam a corrente gerada por um DSSC. A tensão máxima gerada por este tipo de célula. e alterar a dopagem do TiO2 para melhor corresponder com o eletrólito utilizado. Uma célula solar deve ser capaz de produzir eletricidade por pelo menos vinte anos. sem uma diminuição significativa na eficiência (tempo de vida). Estes incluem o uso de pontos quânticos para a conversão de luz de alta energia (maior frequência) em múltiplos elétrons. a eficiência global do pico de produção de energia para DSSCs atual é de cerca de 11%. é possível ainda elevar a eficiência das suas células solares invertidas para algo entre 45 e 50%. com os 10% perdidos devido grande parte às perdas ópticas no eletrodo superior. o corante é avariado em alta luminosidade. no UV e azul. As versões mais recentemente introduzidas (1999) tiveram resposta de freqüência muito maior. o que é mais do que o dobro das melhores células fotovoltaicas disponíveis comercialmente. utilizando eletrólitos de estado sólido para uma melhor resposta à temperatura. enquanto a oferta DSSCs atuais cerca de 20 mA/cm2. Inovações Célula Solar Metamórfica de Tripla Junção Invertida [9] Cientistas do Laboratório de Energias Renováveis do Estados Unidos propuseram uma nova estrutura de célula solar que atinge uma eficiência de até 40%. mediante o uso de . Na última década. a eficiência global é de cerca de 90%. inicialmente em torno de 80%. Os ganhos de eficiência são possíveis e só recentemente começaram um estudo mais amplo. mas melhorando a conversão nas tintas mais recentes. Combinado com um fator de preenchimento de cerca de 45%. Segundo os pesquisadores. No entanto.tradicional oferece célula solar de cerca de 35 mA/cm2. Os corantes têm uma excelente chance de conversão de um fóton em um elétron. sendo mais eficiente para a direita no intervalo de baixa freqüência de luz vermelha e IR. DSSCs ainda estão no início do seu ciclo de desenvolvimento. um extenso programa de pesquisa foi realizado para responder a estas preocupações. Desenvolvimento Os corantes utilizados no início de células experimentais (1995) foram sensíveis somente na região de alta freqüência no final do espectro solar. Contudo. a complexidade da célula solar começa a derrubar sua eficiência e anular os ganhos das multijunções. As ligas semicondutoras conhecidas como III-V (Al. Figura 13:Célula Solar Geisz/Daniel Friedman] Tripla Junção Invertida [Imagem: John F. Os ganhos de eficiência obtidos com a . adicionando uma quarta junção. Células solares multijunção Essa limitação pode ser contornada com as células multijunção.a partir daí. sendo cada junção projetada para responder a uma faixa de energia dos fótons. O problema é que. Processo de crescimento invertido A técnica consiste em inverter o processo de crescimento do cristal fotovoltaico.a diferença de energia entre os estados neutro e fotoexcitados. que não são capazes de coletar a energia dos fótons que não coincidam com a sua bandgap . eventualmente. não se pode usar mais do que três junções . defeitos na estrutura atômica dos cristais. gálio e índio) e V (arsênico e fósforo) da tabela periódica. com a tecnologia atual. formadas por combinações de elementos dos grupos III (alumínio. são os mais promissores para a construção de células multijunção porque suas características podem ser ajustadas variando a composição de cada elemento na liga.In)(As.Ga.P). além de uma melhoria na estrutura atômica dos materiais usados para captar os fótons da luz solar e liberar os elétrons para gerar a eletricidade. A faixa de energia dos fótons solares que atingem a superfície da Terra limita o rendimento das células solares construídas pela junção de semicondutores.materiais de maior qualidade e. conhecidos como deslocamentos. reduzem o desempenho da célula solar multijunção resultante. são cultivados sobre um substrato. A nova célula solar é tecnicamente imbatível. mas o complicado processo de fabricação indica que ela não será mais barata do que as atuais. uma com carga positiva e outra com carga negativa. o que significa que ele é basicamente uma folha de grafeno enrolada. Para se obter uma boa célula solar. limita-se a escolha das bandgaps e tudo volta à estaca zero. Contudo. O nanotubo foi preso entre dois contatos elétricos e posto próximo a duas portas elétricas. Célula Solar de Nanotubos de Carbono [8]. Fotodiodo Os cientistas construíram um fotodiodo que converte a luz em eletricidade de forma extremamente eficiente graças à excepcional condutividade elétrica do nanotubo de carbono e à forma como ele conduz os elétrons. os cristais . é necessário que a estrutura cristalina do semicondutor coincida com a estrutura desse substrato. Célula solar invertida Para fabricar a célula solar.as ligas semicondutoras . demonstraram o princípio de funcionamento de um novo tipo de célula solar que substitui o silício por nanotubos de carbono.utilização das ligas ajustáveis só pode ser obtido com algo próximo da perfeição cristalina. . reduzindo os deslocamentos e mantendo a possibilidade de escolha das bandgaps. nos Estados Unidos. se esse processo for preciso demais. Pesquisadores da Universidade de Cornell. como nos satélites artificiais. elas tornam-se candidatas naturais para usos onde a energia solar é essencial. Mas. constituindo um tubo cujas paredes são formadas por uma única camada de átomos de carbono. A solução encontrada pelos pesquisadores foi deixar para crescer por último os cristais com o maior nível de coincidência das estruturas atômicas. o que é virtualmente impraticável em um processo industrial em larga escala. reduzindo os deslocamentos. O nanotubo de carbono utilizado é do tipo de parede única. nas sondas espaciais e nos robôs enviados para explorar outros planetas. ele praticamente força os elétrons a andarem em fila indiana. Gabor et al. A montagem das células solares. conseguiram bater o recorde de eficiência energética das células . o que lhes permite gerar novos elétrons a partir dos fótons da luz incidente que seriam desperdiçados em uma célula solar convencional. os elétrons atingem um estado denominado "excitado". que exigirá a manipulação de nanotubos individuais. Estados Unidos. Células Solares Cristalinas – Recorde de Eficiência. Problemas à frente Como são muito pequenos. os cientistas descobriram que altos níveis de incidência de fótons têm um efeito multiplicador sobre a quantidade de eletricidade que é produzida pelo fotodiodo. A elevada taxa de conversão significa que a nova célula solar não perde quase nenhuma energia na forma de calor. [10] Pesquisadores da Universidade de Delaware. ainda não existe tecnologia capaz de permitir sua fabricação em série de forma controlada. Nessa situação. convertendo quase toda a radiação da luz em eletricidade.Figura 14: Célula Solar de Nanotubos de Carbono [Imagem: N. Como o nanotubo é muito estreito. Isto faz com que a célula solar de nanotubo de carbono funcione em um regime praticamente ideal./Science] Elétrons em fila indiana Dirigindo feixes de raios laser de diversas cores ao longo do nanotubo. eliminando o problema do superaquecimento. é outro desafio a ser vencido. quanto em termos de custos. As células solares cristalinas são o tipo mais tradicional de célula fotovoltaica. o recorde anterior de 40. atingindo um rendimento de 42. estimado em US$100 milhões. e poderão representar um enorme incentivo ao uso da energia solar. a nova célula capaz de converter a luz do sol em eletricidade com uma eficiência de 42. tira-se proveito da maior parte do espectro eletromagnético. médio e baixo . O esforço consistirá na montagem de uma fábrica-piloto.7% de eficiência utilizava uma lente do tamanho de uma mesa e com uma espessura de 30 centímetros para concentrar a luz solar exatamente sobre a célula. Célula solar cristalina As novas células solares de altíssima eficiência utilizam um novo sistema de concentração óptica lateral. O objetivo dos pesquisadores é chegar à produção de células solares em volume industrial com um rendimento energético de 50%. Célula Solar de 80% de rendimento [11] .8% de conversão sob condições normais de iluminação.8% precisa de uma lente que não chega a 1 centímetro de diâmetro. Escala industrial Elas têm duas vezes a eficiência dos módulos fotovoltaicos atualmente sendo comercializados. tanto em termos técnicos e de dimensões. Assim. que divide a luz solar em três diferentes níveis de energia . eliminando a necessidade dos caros sistemas de posicionamento. Trata-se de um concentrador óptico com um grande ângulo de captura da luz. Para se ter uma idéia do avanço alcançado.dirigindoos para o interior de células solares feitas com materiais de diferentes sensibilidades à luz. que envia diferentes concentrações de luz para cada célula solar especializada naquela freqüência. Agora. utilizando estruturas de concentração óptica viáveis para uso comercial. evitando o desperdício de luz. que deverá estar pronta em cerca de 3 anos. será compartilhado entre órgãos do governo norte-americano e por empresas privadas. O investimento. sendo fabricadas de silício.alto.solares cristalinas. O sistema óptico é fixo. responsáveis por manter as células solares sempre apontadas para o Sol. "Essa tecnologia é cara. são chamados de clusters. dispensando as pilhas". Todas as vezes que a luz bate nas moléculas. Os pelos são visíveis apenas em nível microscópico. San Diego. Eles são fios nanométricos feitos de silício ou de estruturas metálicas utilizadas para completar circuitos muito pequenos. Uma das possíveis aplicações dos filmes. Para que o vidro mude de cor. A estrutura projetada mistura cristais de dióxido de titânio com moléculas de rutênio. mas não precisa de muita luz para gerar eletricidade". . ambas nos EUA. átomo por átomo. em que as estruturas são fabricadas usando átomos ou moléculas individuais. e resulta em células solares "peludas".No Instituto de Química (IQ) da USP. chamado filmes eletrocrômicos. funcionando como a parede espelhada de uma garrafa térmica. "Por isso acredito que fará sucesso para mover pequenos aparelhos. Esses aglomerados. Célula fotoeletroquímica Para construir a célula fotoeletroquímica com os aglomerados de rutênio. como calculadoras. Insulfilme colorido O pesquisador também desenvolveu um filme para envolver vidros que pode mudar de cor reversivelmente ao receber eletricidade. demonstrando uma das principais técnicas da nanotecnologia. que é a chamada fabricação "de baixo para cima". elas liberam elétrons. e Harvard. o pesquisador forrou placas de vidro condutor de eletricidade com um filme microscópico de dióxido de titânio e borrifou nele as moléculas criadas no laboratório. ou aglomerados. é impedir o calor de escapar dos ambientes por irradiação. o pesquisador Sérgio Hiroshi Toma construiu aglomerados de moléculas. que está sendo estuda por pesquisadores da Universidade da Califórnia. podendo ainda mudar a cor dos vidros que envolvem. explica o professor. e dão origem a materiais que utilizam a luz para gerar eletricidade com alta eficiência. Células Solares: Nanofios A técnica. que utilizam o metal rutênio. basta submetê-lo a diferentes tensões. Figura 16: Examples of complex epitaxial nanowire structures grown by Sol®. Atualmente células solares de filmes.finos não fornecem qualquer canal direto para o curso de elétrons. células solares “peludas" podem representar um avanço significativo na tecnologia fotovoltaica. Isso . que atualmente se degrada quando exposto ao ar. (c) GaN nanowires grown on GaN. Os nanofios foram então revestidos com um polímero orgânico. Existem ainda alguns desafios de engenharia a ser percorrido antes dos novos processos serem trazido para o mercado. os cientistas foram capazes de crescer nanofios diretamente na barata superfície condutora óxido de índio e estanho. (e) from the top. (b) axial InAs/InP double-barrier heterostructure. (a) GaP nanotrees. Uma delas é a durabilidade da camada de polímero. radial GaAs/GaInP core-shell heterostructures (d) from the side. Figura 15: Célula Solar Nanofios [12] Aumento da eficiência de células solares A idéia é: usar nanofios para a conduzir mais eficazmente os elétrons desde a superfície das células solares até os eletrodos.Na UC San Diego. Entretanto. inovacaotecnologica.specmat.wikipedia. mostram-se úteis por absorverem em vários ângulos.com/wp-content/uploads/2008/05/nanowires_400. processo atualmente com maior aproveitamento da radiação solar. “Physics of Semiconductor Devices”. Conclusões: Verificou-se com esse trabalho que pesquisas sobre eficiência de células solares ainda são necessárias e que novos materiais. Dervos. que apesar de ainda não mostrarem uma eficiência superior as células solares atuais.inovacaotecnologica. [4] S. Bibliografia: [1] http://en.php? artigo=010115070716 [8] http://www.br/noticias/noticia. Panayota Vassiliou.php? artigo=010115070726 [11] http://www.com/Overview%20of%20Solar%20Cells. 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