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Steven KwokA tecnologia solar de telureto de cádmio (CdTe) foi introduzida pela primeira vez em 1972, quando Bonnet e Rabenhorst projetaram a heterojunção CdS/CdTe que permitia a fabricação de células solares de CdTe. Inicialmente, os painéis de CdTe atingiram uma eficiência de 6%, mas a eficiência triplicou até hoje.
Empresas como Kodak, Monosolar, AMETEK e muitas outras pesquisaram a tecnologia CdTe. Atualmente, a tecnologia CdTe é a tecnologia de painel solar de filme fino mais popular e é a opção preferida pelo principais fabricantes de painéis solares de película fina no mundo.
Neste artigo, faremos um mergulho profundo nos painéis solares de CdTe e tudo relacionado a essa tecnologia. Explicaremos os materiais e o processo de fabricação desses painéis solares de película fina, possíveis aplicações e compararemos com outras tecnologias.
O que é um painel solar de telureto de cádmio (CdTe)?
Os painéis solares de telureto de cádmio são os painéis solares de película fina mais populares disponíveis no mercado. Estes representam cerca de 5% dos painéis solares no mercado mundial e vêm apenas segundo a painéis de silício cristalino.
Os painéis solares de película fina de CdTe são tão populares porque são fáceis e baratos de fabricar, tornando-os ideais para investidores. Os painéis de CdTe têm uma eficiência média de 19%, mas os testes de laboratório realizados pela First Solar alcançaram eficiências recordes de 22.1% para células solares de CdTe.
Compreender os painéis solares de película fina de CdTe é vital para conhecer as verdadeiras vantagens e possíveis aplicações para esses painéis solares de película fina. Nesta seção, explicaremos os materiais, o processo de fabricação e outros detalhes interessantes sobre os painéis solares de CdTe.
Materiais usados em células e painéis solares de película fina de CdTe
As células de CdTe são feitas com semicondutores que otimizam a eficiência da transformação da radiação solar em eletricidade. Células solares de CdTe são feitas usando heterojunções p-n contendo uma camada de Telureto de Cádmio dopado com p e uma camada de Sulfeto de Cádmio dopado com n (CdS), que também pode ser feito de óxido de zinco e magnésio (MZO).
Embora esses materiais sejam baratos, eles também podem ser tóxicos e poluentes quando descartados de forma inadequada. O Greenpeace alertou sobre os níveis de toxicidade e contaminação desses materiais, afirmando que os painéis de CdTe contêm 6g/m2 de metais tóxicos e produzem emissões de cádmio equivalentes a 0.5g/GWh. Existem também vários problemas de saúde associados a esses materiais.
Além dos materiais usados para células de CdTe, existem outros materiais necessários para fabricar painéis solares de película fina de CdTe. Esses materiais são:
- Óxido de estanho dopado com flúor (SnO2:F)
- Telureto de zinco (ZnTe)
- Cobre (Cu)
O processo de fabricação de painéis solares de película fina de CdTe
Os painéis solares de película fina de CdTe são compostos por três partes principais, tendo uma camada para o semicondutor, uma para a proteção e outra para a condução. Estas peças são:
- material fotovoltaico
- folha condutiva
- Camada protetora
Cada uma dessas seções é vital para os painéis solares de película fina de CdTe. O processo de fabricação é feito através de um conjunto diferente de métodos chamados técnicas de deposição. Os diferentes tipos de técnicas utilizadas são pulverização catódica, pirólise por pulverização química, eletrodeposição ou transporte de vapor próximo (CVT). Os materiais utilizados em cada uma dessas partes dos painéis solares de película fina de CdTe são os seguintes:
material fotovoltaico
O material fotovoltaico é a parte do painel solar de película fina de CdTe que converte a radiação solar em energia DC. Este é fabricado criando uma heterojunção ap-n, este semicondutor requer a deposição de uma camada de CdTe para a seção p-dopada e uma de CdS ou MZO para a seção n-dopada.
folha condutiva
A folha condutora permite que a energia DC flua entre as células solares, aumentando a tensão e permitindo a conexão de painéis de CdTe em sistemas fotovoltaicos (PV). Essas camadas requerem a deposição de uma camada de metal ou pasta de carbono, introduzindo cobre (Cu) para criar condução no painel.
Camada protetora
As camadas fotovoltaicas tendem a ser muito frágeis, e é por isso que os painéis solares de película fina requerem uma camada protetora. Em vez de usar uma moldura de alumínio e vidro temperado, essa camada, conhecida como camada de Óxido Condutivo Transparente (TCO), é feita pela deposição de SnO2:F ou um material similar. A camada de TCO é onde o absorvedor de CdTe é depositado, permitindo que a célula solar fique totalmente protegida.
Painéis solares de CdTe vs. Outros tipos de painéis de película fina
Os painéis solares de CdTe não são os únicos painéis de película fina do mercado. Além dessas, existem três opções principais disponíveis:
- Painéis solares de silício amorfo (a-Si)
- Painéis solares de seleneto de cobre, índio e gálio (CIGS)
- Painéis solares de arsenieto de gálio (GaAs)
Esses painéis solares de película fina e CdTe têm muitas diferenças. Para uma melhor compreensão destes, vamos comparar cada painel solar de película fina com os painéis de CdTe, considerando materiais, eficiência, aplicação e outros aspectos.
Silício amorfo (a-Si) vs. Painéis solares de CdTe
Os painéis solares de filme fino A-Si são menos eficientes que os painéis CdTe, atingindo uma eficiência de 6 a 7%. Como os painéis solares a-Si são mais baratos e menos tóxicos do que outras opções, eles se tornaram a segunda opção mais popular para painéis solares de película fina.
Os painéis solares a-Si são usados regularmente em aplicações de pequena escala. Desenvolvimentos recentes mostram resultados promissores para esses painéis no futuro, pois eles têm potencial para serem integrados ao vestuário.
A produção de painéis solares a-Si é mais barata e fácil do que os painéis de CdTe porque eles requerem apenas uma fração do silício que outros painéis exigem. São fabricados pelo método de evaporação, permitindo a fabricação de uma fina camada semicondutora que é colocada sobre vidro ou aço inoxidável.
Seleneto de cobre, índio e gálio (CIGS) versus painéis solares de CdTe
Os painéis solares CIGS são menos tóxicos que o CdTe, mas ainda representam toxicidade moderada para vias respiratórias em humanos. Esses painéis solares de película fina são menos eficientes que o CdTe, atingindo uma eficiência de 12 a 14%, mas estudos de laboratório registraram excelentes resultados de eficiência de 20.4%.
Embora os custos de produção dos painéis solares de película fina CIGS não sejam tão baratos quanto os do CdTe, novos processos de fabricação com custos mais baixos estão sendo desenvolvidos. Esses painéis geralmente são fabricados por pulverização catódica, evaporação, deposições eletroquímicas e vários outros processos.
Os painéis solares de filme fino CIGS são geralmente usados em fachadas e janelas, pois são muito fáceis de instalar e têm uma eficiência bastante decente. Esses painéis solares de película fina são considerados para aplicações espaciais.
Arsenieto de gálio (GaAs) versus painéis solares de CdTe
Os painéis solares de filme fino GaAs podem alcançar um eficiência de 28.8%, tornando-os os painéis solares de película fina mais eficientes e duráveis disponíveis, mas também são os mais caros. O GaAs é um pouco menos tóxico que o CdTe, mas ainda é o segundo semicondutor mais tóxico da lista.
O processo de fabricação do GaAs é mais caro e complexo do que o do CdTe. Esses painéis requerem um processo de crescimento em um substrato dopado, depois são revestidos com materiais anti-reflexo e metalização. No futuro filme fino de GaAs, os painéis solares podem acabar custando muito menos.
GaAs painéis solares raramente são vendidos no mercado. Esses painéis de película fina são usados com mais frequência para naves espaciais, veículos militares, missões espaciais e outras aplicações especializadas.
Painéis solares de CdTe vs. Painéis solares de silício cristalino (prós e contras)
Painéis solares de CdTe e painéis solares de silício cristalino são tecnologias muito diferentes. Para saber qual é a melhor tecnologia, vamos compará-las, destacando e considerando os prós e contras de cada uma para análise.
| Painéis solares de silício cristalino | Painéis Solares CdTe | |
|---|---|---|
| Tipo de Tecnologia |
| Telureto de Cádmio (CdTe) |
| Coeficiente de temperatura | -0.446%/ºC a -0.387%/ºC | -0.172% / ºC |
| Eficiência | 20% -25% | 19% |
| Compatibilidade com inversores | A maioria dos inversores do mercado é projetada para o coeficiente de baixa temperatura desses painéis | Os instaladores devem considerar as temperaturas no local de instalação em relação ao coeficiente de temperatura |
| Espaço Requerido | Requisitos padrão | Requer até 31% mais espaço por kW instalado |
| Faixa de preço | US$ 0.70 a US$ 1.50/Watt | US$ 0.46/Watt |
| Aplicações | Residencial/Comercial/Industrial | Comercial / Industrial |
Uma das principais vantagens da tecnologia CdTe é o baixo custo de fabricação. Os painéis de CdTe podem ser encontrados a preços baixos de US$ 0.46/Watt, o que é 70% mais barato do que o custo dos painéis cristalinos. Outra grande vantagem da tecnologia CdTe é que ela é menos afetado por fortes mudanças de temperatura, fornecendo uma tensão constantemente mais alta em sistemas fotovoltaicos.
Embora os painéis solares cristalinos sejam mais eficientes do que o CdTe (tornando-os melhores para os mercados residenciais), isso não significa que sejam mais adequados para todos os tipos de instalações. Em algumas aplicações industriais em clima quente, as fazendas solares com painéis de CdTe podem ter o potencial de fornecer uma saída de energia mais alta do que os painéis solares de silício cristalino.
Aplicação do painel CdTe: Quando usar painéis solares CdTe?
Embora os painéis de CdTe nem sempre sejam a melhor opção para aplicações residenciais, esses painéis são bastante versátil para aplicações comerciais e industriais.
Os painéis solares de CdTe são 1-6% menos eficientes que os módulos cristalinos, mas têm preços 70% mais baixos. Esses preços baixos tornam o CdTe uma excelente tecnologia para instalações de fazendas solares onde o espaço não é um problema. Essas fazendas solares poderiam fornecer eletricidade mais barata do que a energia de combustível fóssil e até fazendas solares de silício cristalino.
Como os painéis solares de película fina de CdTe são mais adaptável a diferentes estruturas, eles podem ser instalados em diferentes aeronaves e usados para aplicações espaciais. Os veículos aéreos não tripulados com esta tecnologia no espaço podem ser altamente beneficiados com os painéis de CdTe, pois são baratos, adaptáveis à forma e muito leves.
A tecnologia de película fina de CdTe é muito promissora. Esses painéis são excelentes para aplicações industriais e comerciais e podem até ser instalados no futuro no teto de veículos elétricos (EVs) pois podem ser facilmente instalados em estruturas estranhas, como o capô ou o teto de um carro.
Considerações finais
Não deve haver dúvidas quanto à popularidade da tecnologia CdTe como o melhor painel solar de película fina. Esses módulos são baratos, leves, resistentes, possuem alta eficiência e são fáceis de fabricar, tornando-os excelentes para uma ampla variedade de aplicações.
Embora os painéis solares de CdTe ainda não sejam amplamente utilizados em aplicações residenciais, eles ainda são usados nos setores comercial e industrial.
O futuro dos painéis solares de película fina de CdTe é muito promissor. Esses painéis são a opção preferida para aeronaves espaciais, algumas fazendas solares, e podemos até vê-los nos tetos dos veículos elétricos no futuro.
Existe uma diferença significativa no "tempo de vida" esperado (uso útil) entre CdTe e painéis de cristal de silício?
Devido ao CdTe ser um material de gap direto, ele produz energia do anoitecer ao amanhecer. Além disso, é capaz de usar luz visível e difusa. Você está usando materiais que usam mais espectro de luz para produzir energia. O silício exige que você irradie a massa de silício até ter energia suficiente para liberar alguns elétrons. É material de bandgap indireto e se estivéssemos comparando os painéis CDTE seria 150 vezes mais fino que a célula de Si. Quando você mede um painel solar no STC, o modelo STC é projetado para fornecer energia luminosa suficiente para ativar o painel de silicone para fazê-lo funcionar. O teste STC é uma muleta para fazer os painéis de silício funcionarem. Portanto, em conclusão, o CdTe produzirá mais energia com menos luz durante todo o dia.
Mais barato em escala de utilidade, mas também são painéis de silício de cristal único. Os custos suspeitos de telhados residenciais serão um pouco diferentes, especialmente se o CdTe exigir mais alguns painéis.
Os vendedores solares tendem a aumentar sua margem de lucro com base no que os painéis de silício estabeleceram. Outros custos (inversor, instalação, permissão) permanecem os mesmos.