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Painéis solares CdTe vs. CIGS: diferenças, desempenho e aplicações

Os painéis solares CdTe e CIGS são dois tipos proeminentes de painéis de película fina, com o primeiro dominando este segmento de mercado, enquanto o último segue logo atrás.

Esses dois tipos de painéis possuem características, vantagens e desvantagens distintas. Neste artigo, iremos compará-los em relação a vários aspectos que mais preocupariam os usuários.

Recapitulando o básico: composição, estrutura e fabricação

Compreender os fundamentos dos painéis solares de película fina CdTe e CIGS é crucial para compreender como eles funcionam em condições do mundo real e para quais aplicações são ideais.

Painéis Solares CdTe

Diagrama: Diferentes Camadas de um Painel Solar de Telureto de Cádmio (CdTe)
Figura #1: Camadas de um painel solar CdTe | Fonte: NREL

Os painéis solares CdTe usam telureto de cádmio como material semicondutor primário para converter a luz solar em eletricidade. Semelhante a outros painéis, as partes dos painéis CdTe podem ser categorizadas em várias camadas; explicado em detalhes a seguir:

  • Camada de Substrato: Normalmente feita de vidro, a camada de substrato fornece suporte mecânico e proteção para as camadas superiores.
  • Contato de volta: Esta camada serve como contato elétrico que coleta e conduz a eletricidade gerada pelas células. Geralmente é feito de materiais como pasta de carbono infundida com cobre ou outros metais para criar condução no painel.
  • Camada Fotovoltaica: O núcleo do painel. Ele contém uma subcamada de telureto de cádmio dopado com p (CdTe) e uma subcamada de sulfeto de cádmio dopado com n (CdS) ou óxido de magnésio e zinco (MZO), formando uma junção pn para conversão de energia.
  • Camada de TCO: Às vezes pode ser chamada de 'camada de janela', material como óxido de estanho dopado com flúor (SnO₂:F) ou estanato de cádmio (Cd₂SnO₄) é usado para fabricar a camada de óxido condutor transparente (TCO). Esta camada transparente e condutora permite que a luz flua enquanto transporta eletricidade.
  • Encapsulamento: Semelhante a outros tipos de painéis, a camada de encapsulamento fornece proteção física para todo o conjunto.

Técnicas como pulverização catódica, deposição química de vapor ou sublimação em espaços próximos são empregadas para depositar diferentes camadas no substrato.

A camada de CdTe pode ser depositada por sublimação em espaços próximos, que envolve o aquecimento do material até que ele sublime e então condense no substrato. Durante ou após o processo de deposição, 'impurezas' serão adicionadas às camadas CdTe e CdS para criar semicondutores tipo p e tipo n, respectivamente, via dopagem. Alternativamente, dopantes como arsênico ou fósforo podem ser incorporado durante a síntese de alta pressão de CdTe.

O recozimento será implementado depois que todas as camadas principais forem montadas. É um processo térmico aquecer essas camadas a uma alta temperatura para melhorar a cristalinidade e promover a interdifusão entre as camadas de CdS e CdTe.

Técnicas de fabricação como rolo a rolo processos em folhas metálicas e o uso de solúvel Os nanocristais de CdTe são fundamentais na produção de painéis de CdTe eficientes e econômicos.

Painéis solares CIGS

'CIGS' significa Seleneto de Cobre, Índio e Gálio, que é o material semicondutor usado nesses painéis. Cada camada de um painel solar CIGS desempenha uma função específica, conforme mostrado abaixo.

Camadas de um painel solar CIGS
Figura #2: Camadas de um painel solar CIGS | Fonte: NREL
  • Camada de substrato: Isso pode ser feito de vidro ou polímero flexível, dependendo da aplicação. A maioria dos produtos no mercado utiliza substratos flexíveis; esses painéis podem ser dobrável ou mesmo enrolável.
  • Contato traseiro de molibdênio (Mo): Uma fina camada de molibdênio (Mo) é normalmente espalhada no substrato. Esta camada atua como eletrodo traseiro do painel, coletando portadores de carga e refletindo a luz não absorvida de volta para a camada absorvedora.
  • Camada Absorvente: O núcleo de um painel CIGS é a camada absorvente feita de composição química contendo elementos de cobre, índio, gálio e selênio. É o material semicondutor do tipo p responsável por absorver a luz solar e gerar pares elétron-buraco.
  • Camada tampão: É uma camada de sulfeto de cádmio (CdS) depositada no topo da camada absorvente. Esta é a camada tipo n que forma a junção pn do painel, facilitando separação de carga.
  • Camada de janela: Geralmente constituída por um TCO, a camada de janela é fabricada depositando uma camada de óxido de zinco intrínseco (i-ZnO) sobre a camada tampão, seguida pela aplicação de uma camada de composto AZO. Esta estrutura tem um duplo propósito: proteger a camada tampão subjacente contra danos, ao mesmo tempo que cumpre as suas funções ópticas e eléctricas.
  • *Revestimento anti-reflexo: Muitos produtos de painel CIGS premium adicionariam um revestimento anti-reflexo proprietário na parte superior para minimizar o reflexo da luz, garantindo que mais fótons alcancem a camada absorvedora.
  • Encapsulamento: Esta camada fornece proteção e evita a degradação elétrica das camadas inferiores e bloqueia a entrada de umidade, o que é fundamental para manter a eficiência e a longevidade do painel. 

A fabricação de painéis solares CIGS também envolve diversos processos que combinam a utilização de múltiplas técnicas de deposição.

A pulverização catódica é a técnica mais amplamente utilizada para depositar a camada de contato posterior no substrato. Em seguida, a camada absorvedora CIGS é formada usando co-evaporação, pulverização catódica ou deposição eletroquímica. A camada tampão é geralmente depositada usando deposição em banho químico (CBD). A camada de janela é normalmente aplicada usando métodos como pulverização catódica ou deposição de camada atômica (ALD). Já o revestimento antirreflexo pode ser feito com deposição física de vapor (PVD).

Nos últimos anos, os cientistas também adotaram 'selenização' e sulfurização sequenciais para depositar o material CIGS. Tecnologia de impressão foi usado e melhorado constantemente para reduzir o custo de fabricação do painel CIGS.

Painéis Solares CdTe vs. CIGS: Eficiência

A eficiência é talvez o critério mais preocupante quando se considera entre a tecnologia solar CdTe e CIGS.

Melhorias na eficiência do painel CdTe obtiveram ganhos significativos desde 20101 (Figura 3). Os painéis solares comerciais de CdTe geralmente têm uma eficiência entre 17% e 19%, o que está aproximadamente no mesmo nível da média dos painéis solares à base de silício. Até agora, a maior eficiência laboratorial registada de painéis de CdTe é 22.1%.

Melhorias na eficiência do painel CdTe ao longo dos anos
Figura #3: Eficiência laboratorial da célula solar CdTe | Fonte: Erteza Tawsif Efaz et al., 2021

A eficiência dos painéis CIGS também teve grandes melhorias na última década2. Em comparação com os painéis CdTe, a eficiência média dos painéis CIGS é ligeiramente inferior, situando-se na faixa de 12% a 16%. O protótipo do painel criado por uma equipe de pesquisa da Universidade de Uppsala foi marcado como o mais recente recorde mundial, com uma eficiência de 23.64%.

Painéis CdTe vs. CIGS: Custo

O custo é outro critério importante na ponderação desses painéis.

Graças aos custos comparativamente mais baixos dos materiais, bem como ao avanço nas técnicas de fabricação e na ciência dos materiais, o preço dos painéis solares de CdTe caiu, variando de US$ 0.20 a US$ 0.35 por watt. Enquanto o preço dos painéis CIGS pode variar de US$ 0.30 a US$ 0.50 por watt.

Como referência, o preço dos painéis à base de silício, incluindo ambos painéis mono e policristalinos, variam de US$ 0.30 a US$ 0.70 (ou superior) por watt.

No geral, o preço dos produtos CdTe e CIGS também pode variar mais amplamente com base na maturidade tecnológica e nos termos de fabricação, além da escala de implantação.

Painéis CdTe vs. CIGS: desempenho no mundo real

Embora os painéis à base de silício ainda detenham a maior parte do mercado, as quotas de mercado dos painéis CdTe e CIGS registam um crescimento contínuo.

Painéis CdTe são bem conhecido por seu coeficiente de temperatura mais baixo, variando de aproximadamente -0.20%/ºC a -0.30%/ºC. Alguns produtos premium podem atingir valores abaixo de -0.20%/ºC. O coeficiente de temperatura dos painéis de CdTe supera o do CIGS e dos painéis à base de silício, que compartilham valores semelhantes. Esta resistência implica melhor tolerância à temperatura e faz com que os painéis de CdTe mantenham um bom desempenho em condições de alta temperatura.

Enquanto o coeficiente para painéis CIGS não é tão favorável quanto para painéis CdTe, os painéis CIGS são conhecido por sua excelente flexibilidade e leveza. Ao contrário dos painéis tradicionais à base de silício e da maioria dos painéis de CdTe, estes painéis podem ser dobráveis ​​e até mesmo enroláveis, oferecendo excelente flexibilidade quando implantados em superfícies irregulares ou curvas. Sua propriedade leve também oferece maiores possibilidades de adaptação a diversas instalações.

Notavelmente, os materiais primários utilizados para fabricar painéis de CdTe e CIGS são de bandgap direto. Isso significa que esses painéis são mais fáceis de capturar e converter energia em condições de pouca luz, em contraste com os painéis tradicionais à base de silício com materiais com banda proibida indireta.

Prós e contras dos painéis CdTe e CIGS

Além de alguns recursos compartilhados, as tecnologias de painéis solares CdTe e CIGS têm prós e contras distintos. Aqui está um resumo rápido para ajudar a compreendê-los melhor antes de tomar uma decisão.

Prós dos painéis CdTe

  • Custo-benefício: Os painéis CdTe são mais fáceis de fabricar e são uma das opções mais acessíveis do mercado. Geralmente custam menos que os painéis CIGS.
  • Alta eficiência: Os painéis CdTe apresentam uma eficiência moderadamente superior à dos painéis CIGS e são comparáveis ​​a alguns produtos tradicionais à base de silício.
  • Tolerância de alta temperatura: Seu coeficiente de temperatura mais baixo permite um desempenho mais estável e um rendimento satisfatório em climas quentes.
  • Tecnologia de Filme Fino: Como um tipo de tecnologia de película fina, os painéis CdTe são mais leves e flexíveis que os painéis tradicionais.

Contras dos painéis CdTe

  • Preocupações ambientais e de saúde: O cádmio é um material tóxico que pode ser perigoso para os seres humanos e para o ambiente se não for manuseado e eliminado adequadamente.
  • Restrições Regulatórias: Devido à toxicidade do cádmio, os produtos de CdTe podem estar sujeitos a regulamentações em algumas regiões.
  • Requisitos de espaço: Ainda não sendo capaz de ofuscar os painéis de silício cristalino em termos de eficiência, o CdTe requer mais espaço para produzir a energia esperada. 

Prós dos painéis CIGS

  • Flexível e leve: Os painéis CIGS são mais flexíveis e leves que os produtos CdTe, levando a aplicações mais amplas, independentemente de configurações móveis ou estacionárias.
  • Estética Superior: Os contatos elétricos invisíveis e a excelente flexibilidade tornam os painéis CIGS ideais para aplicações onde a estética e a adaptabilidade são importantes.
  • Baixo Impacto Ambiental: A tecnologia CIGS utiliza menos cádmio em comparação com os painéis CdTe, reduzindo os riscos ambientais e de saúde associados ao elemento hostil.

Contras dos painéis CIGS

  • Eficiência ligeiramente inferior: Apesar de sua eficiência ser ligeiramente inferior à dos produtos CdTe, sua excelente flexibilidade os torna a escolha incomparável para muitos projetos.
  • Preço ligeiramente mais alto: Eles podem, em geral, custar mais do que os painéis de CdTe devido ao seu complexo processo de fabricação, propriedades do material e controle do processo.

Os painéis CdTe e CIGS também compartilham bom desempenho com pouca luz condições, o que de alguma forma atenua alguns dos seus contras.

Além disso, embora os painéis CdTe e CIGS tenham sido limitados pela sua vida útil relativamente curta e pela susceptibilidade a factores ambientais, o desenvolvimento contínuo levou a melhorias significativas através da incorporação de materiais avançados e técnicas inovadoras.

Palavras Finais: Aplicações Ideais para Painéis CdTe e CIGS 

Os painéis solares CdTe são particularmente adequado para projetos solares de grande escala, oferecendo uma combinação atraente de custo-benefício, boas eficiências mais próximas das dos produtos à base de silício e um processo de fabricação mais simples que permite rápida produção em massa. 

Notavelmente, os painéis solares CdTe também são especialmente ideais para ambientes de alta temperatura. Eles têm melhor desempenho em ambientes de alta temperatura em comparação com painéis CIGS e alguns tipos de painéis à base de silício.

Por outro lado, os painéis CIGS podem ser fabricados para terem designs esteticamente agradáveis ​​e, portanto, são bom para projetos de energia fotovoltaica integrada em edifícios (BIPV). A sua flexibilidade e opções de personalização tornam-nos adequados para integração em materiais de construção, como fachadas e telhados de vidro, em projetos comerciais ou residenciais.

Além disso, os painéis CIGS são a fonte de energia limpa ideal solução para aplicações no mercado consumidor, Onde portabilidade está sublinhado. Os produtos finais podem ser estações de carregamento móvel e equipamentos de camping, para citar alguns.

*Imagem da capa: "Gerenciamento de fio solar fotovoltaico flexível de filme fino" (recorte) por campos ken está licenciado sob CC BY-SA 2.0.

  1. Uma revisão das tecnologias primárias de células solares de película fina (Erteza Tawsif Efaz et al., 2021) ↩︎
  2. Revisão do estado da arte sobre células solares de película fina de Cu(In,Ga)Se2 (Mohammad Anwar Omid et al., 2020) ↩︎

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