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Painéis solares de filme fino CIGS: um guia detalhado + status do mercado

A tecnologia de células solares de filme fino é a segunda geração de células solares fotovoltaicas (PV), apresentando um semicondutor fino que vai de alguns nanômetros a micrômetros. Um dos tipos mais populares de tecnologia solar de película fina é o Seleneto de Cobre, Índio e Gálio (CIGS). As células solares CIGS provaram fornecer uma alta potência, são econômicas, apresentam um CO mais baixo2 pegada, e tem vários outros benefícios.

Se você está interessado em aprender mais sobre as células solares CIGS, os benefícios dessa tecnologia ou o status atual de crescimento dos painéis solares CIGS no mercado, este é o artigo certo para você.

Aqui você revisará os fundamentos dessa tecnologia, aprenderá sobre seus prós e contras, entenderá as diferentes aplicações da tecnologia de célula solar CIGS, aprenderá sobre as atualizações mais recentes da tecnologia e muito mais.

Painéis solares de filme fino CIGS no telhado
Architectsea, painéis solares CIGS no telhado, Cropping, CC BY-SA 3.0

Conteúdo

Tecnologia solar de filme fino CIGS: entendendo o básico

Uma breve história…

A tecnologia de painel solar CIGS pode rastrear sua origem voltar para 1953 quando Hahn fez o primeiro CuInSe2 (CIS) célula solar de película fina, que foi indicada como material fotovoltaico em 1974 pela Bell Laboratories. Naquele ano, os pesquisadores começaram a testá-lo e, em 1976, pesquisadores da Universidade fizeram o primeiro p-CuInSe2/n-CdS, dando os primeiros passos em direção às células solares de filme fino CIGS. Em 1995, pesquisadores do Laboratório Nacional de Energia Renovável (NREL) finalmente introduziram o gálio na mistura de células solares da CIS, criando a primeira célula solar CIGS.

Noções básicas sobre a estrutura da célula solar CIGS

A tecnologia de painel solar de filme fino CIGS é fabricada com uma junção pn feita de cobre, índio e gálio, que é posteriormente recozido com Vapor de seleneto. A propriedade flexível do módulo é obtida variando o substrato, o que lhe confere propriedades únicas para diferentes aplicações. A estrutura da célula solar CIGS também possui uma folha condutora para condutividade e uma camada protetora.

Uma vantagem de um painel solar de filme fino CIGS é que sua tecnologia é extremamente versátil, podendo adaptar-se a inúmeras aplicações. Os módulos fotovoltaicos que utilizam esta tecnologia podem ser fabricados como módulos flexíveis, módulos rígidos, produtos fotovoltaicos integrados em edifícios (BIPV) e com tecnologias atuais, até mesmo como módulos bifaciais de alta eficiência.

Impacto no meio ambiente e reciclagem

Há também uma importante vantagem ambiental para a tecnologia de painel solar de filme fino CIGS em comparação com silício cristalino (c-Si) uns. A fabricação de módulos fotovoltaicos c-Si produz poluição equivalente a 50–60 g de CO2/kWh, enquanto um painel solar CIGS apenas produz 12–20 g de CO2/kWh, que é semelhante à energia eólica que produz 10–12 g de CO2/ kWh.

Como a produção de um painel solar de película fina CIGS requer o uso de metais valiosos, é um bom ponto a favor dessa tecnologia que ela possa ser reciclado. Cerca de 100% da prata e 85% do índio usados ​​na fabricação desses módulos podem ser recuperados durante a reciclagem.

Grande eficiência de conversão e desempenho

A tecnologia de painel solar CIGS é uma das tecnologias de película fina mais eficientes disponíveis. Uma eficiência recorde de célula solar CIGS de 23.35% foi alcançado por Nakamura et al em 2019 para células solares CIGS, enquanto os módulos de painéis solares flexíveis CIGS apresentam uma eficiência registrada de 22.2%, alcançado em 2022 pelos Laboratórios Federais Suíços para Ciência e Tecnologia de Materiais (EMPA).

Essa tecnologia oferece um ótimo desempenho, em parte graças ao seu coeficiente de baixa temperatura (TCO) de apenas -0.36% / ºC, sendo excelente para todas as aplicações em locais de clima extremo. À medida que a tecnologia é desenvolvida ou combinada como células solares em tandem, é possível aumentar sua eficiência.

Prós e contras dos painéis solares de película fina CIGS

Prós

Alta eficiência de conversão

A eficiência de conversão recorde para células solares CIGS foi alcançada em 23.35%. Isso está acima da média e próximo ao recorde de outras tecnologias c-Si populares.

Custos de produção competitivos

Os painéis solares CIGS têm custos de produção competitivos, graças ao seu design fino, apresentando uma menor necessidade de materiais para fabricar células solares.

Pegada de baixo carbono

A fabricação de células solares CIGS mal gera 12–20g de CO2 equivalente/kWh. Essa pegada de baixo carbono é bastante próxima à da energia eólica.

estética superior

Graças a um design mais leve e fino, as células solares CIGS apresentam uma aparência estética superior. Além disso, modelos de painéis solares flexíveis CIGS adaptam-se a edifícios de formas estranhas, ideais para melhorar a estética.

Propriedades únicas adequadas para várias aplicações

Com seu peso leve, as células solares CIGS podem ser instaladas em telhados com capacidade de peso limitada. Essa tecnologia também pode ser fabricada em opções de painéis solares flexíveis CIGS para edifícios de formato estranho ou fotovoltaica integrada ao edifício (BIPV).

Melhor desempenho em luz difusa e altas temperaturas

As células solares CIGS podem funcionar melhor graças à melhor adaptação em locais de luz difusa e um coeficiente de baixa temperatura de -0.36%/ºC, o que reduz as perdas de energia em locais de clima extremo.

Adequado para aplicações bifaciais

Painéis solares CIGS bifaciais podem ser fabricados para aproveitar o recurso de albedo. A indústria solar recentemente fez avanços para melhorar a tecnologia CIGS bifacial.

Os painéis solares de película fina CIGS podem potencialmente ser reciclados

A tecnologia de células solares CIGS pode ser reciclada, recuperando 100% da prata e 85% do índio usados ​​para fabricar as células.

Desvantagens

A fabricação requer um metal raro

Os painéis solares de filme fino CIGS requerem índio, que é considerado um metal raro. A única vantagem é que a maior parte do índio nos painéis solares de película fina CIGS pode ser reciclada de módulos antigos.

Degradação rápida da célula solar em certas condições

As células solares de filme fino CIGS podem ser altamente afetadas pelo vapor de água que causa a migração de sódio dentro da célula e aumenta a degradação das células solares. Para evitar isso, não é recomendável usar esse tipo de tecnologia fotovoltaica em áreas com alta umidade e luz solar intensa quando a qualidade do produto é desconhecida.

Aplicações de painéis solares de película fina CIGS

Os painéis solares de filme fino CIGS têm várias aplicações. Essa tecnologia pode ser usada para aplicações tradicionais, mas também exclusivas não adequadas para painéis solares c-Si convencionais.

Aplicações tradicionais residenciais, comerciais e industriais/escala de serviços públicos

Os painéis solares de filme fino CIGS podem ser projetados como módulos rígidos ou flexíveis, para serem usados ​​em instalações fotovoltaicas tradicionais em escalas que vão desde residenciais até serviços públicos. O ótimo desempenho em diferentes iluminações e temperaturas extremas faz com que esses módulos tenham um desempenho melhor do que as tecnologias tradicionais.  

Fotovoltaica integrada em edifícios (BIPV)

Fachada Integrada ao Edifício CIGS
CIGS fachada integrada no edifício | Fonte: Fotovoltaica de Filme Fino CIGS

O BIPV é um aplicativo específico adequado para CIGS e alguns outras tecnologias solares de filme fino. As células solares CIGS podem ser projetadas na fachada de um edifício, nas janelas ou adaptadas em diferentes formas para dotar edifícios com capacidade de produzir energia solar, sem prejudicar a estética do local.

aplicações espaciais

Poucas tecnologias, incluindo CIGS, podem ser adaptadas para aplicações espaciais. Até 2023, a Ascent Solar, fabricante de painéis solares CIGS com sede nos EUA, produziu Módulos fotovoltaicos CIGS para aplicações espaciais com propriedades únicas que têm sido frequentemente demonstradas pela NASA.

As últimas descobertas e atualizações sobre painéis de película fina CIGS (2022-2023)

Eficiência recorde de 22.2% para células solares CIGS flexíveis

Em setembro de 2022, pesquisadores dos Laboratórios Federais Suíços para Ciência e Tecnologia de Materiais (EMPA) apresentaram um novo recorde de eficiência alcançado para uma célula solar CIGS flexível de 22.2%, no 8th Conferência Mundial sobre Conversão de Energia Fotovoltaica (WCPEC-8). O recorde anterior ficou em 21.4%, enquanto o recorde da tecnologia de filme fino CIGS, em geral, é de 23.35%.

O Instituto Fraunhofer para Sistemas de Energia Solar (Fraunhofer ISE) confirmou posteriormente essa conquista. O novo recorde foi alcançado modificando a composição da camada CIGS, o que aumentou a tensão de saída e melhorou o desempenho. Esses resultados podem ser replicados em escala industrial para aumentar a eficiência da fabricação de painéis solares CIGS no varejo.

Maior eficiência para células solares de filme fino CIGS bifaciais

Pesquisadores dos Laboratórios Federais Suíços para Ciência e Tecnologia de Materiais (EMPA) alcançaram maior eficiência em módulos fotovoltaicos bifaciais com tecnologia de painel solar de película fina CIGS. O recorde atingiu uma eficiência de 19.8% na parte frontal do módulo e 10.9% na parte traseira.

A tecnologia bifacial é ótima para aplicações que aproveitam o recurso albedo, mas uma maior eficiência é particularmente interessante na tecnologia solar de filme fino por causa das propriedades transparentes do módulo. Essa conquista também pode levar ao aumento da eficiência em aplicativos como o BIPV.

Pesquisadores projetaram uma célula solar tandem de perovskita-CIGS que pode atingir uma eficiência de 29.7%

A pesquisa de células solares em tandem com perovskita mostrou potencial em publicações ao longo dos anos. Em 2023, pesquisadores da Universidade Chitkara na Índia publicou um artigo em Energy Fuels, ilustrando um estudo numérico que mostra uma célula solar CIGS-perovskita em tandem aprimorada, demonstrando que uma eficiência de conversão solar de 29.7% pode ser alcançada.

O estudo é baseado em uma célula solar tandem monolítica com uma camada superior de perovskita com um gap largo (Eg) de 1.68 eV e uma camada CIGS com um Eg de 1.1 eV. Ainda existem algumas limitações de perdas e interferências que podem não ter sido consideradas, mas o potencial desse cálculo pode render resultados impressionantes em experimentos feitos em laboratório buscando reproduzir o projeto.

Pesquisadores japoneses criam um roteiro para aumentar a eficiência dos painéis solares de película fina CIGS

Atualmente, o painel solar de filme fino CIGS médio apresenta uma eficiência de conversão que ultrapassa ligeiramente os 18%. Em outubro de 2022, pesquisadores japoneses do Instituto Nacional de Ciência e Tecnologia Industrial Avançada (AIST) publicaram um artigo propondo uma metodologia para aumentar a eficiência de um painel solar CIGS além do limite de eficiência de conversão solar de 20%.

O artigo promove a aquisição de energia solar criando um roteiro para modelos de painéis solares flexíveis CIGS de película fina de alta eficiência que podem ser usados ​​em superfícies curvas e telhados com restrições de peso. O método recomenda reduzindo a deterioração do CIGS na borda das células solares usando tratamentos apropriados de passivação/terminação durante a fabricação ou substituindo a marcação mecânica.

Como os painéis solares de filme fino CIGS se comparam a outras tecnologias no mercado?

Na indústria solar, existem muitas tecnologias fotovoltaicas excelentes disponíveis. Nesta seção, comparamos a tecnologia de painel solar de filme fino CIGS com a tecnologia Passivated Emitter Rear Cell (PERC), que detém a maior participação de mercado, e com a tecnologia Tunnel Oxide Passivated Contact (TOPCon), uma versão atualizada da tecnologia PERC com aumento em popularidade.

PERCTOPConCIGS
Maior Eficiência Registrada24.50%26.56%23.35%
Coeficiente de temperatura< -0.4%/ºC< -0.3%/ºC-0.36% / ºC
Fatia de mercado75%
(2021)
8%
(2020)
<% 1
(2021)
Peso17.9-33 kg5 kg
AplicaçõesAplicações tradicionais de módulos fotovoltaicos rígidos
  • Aplicações de módulos fotovoltaicos rígidos
  • Aplicações de módulos fotovoltaicos flexíveis
  • BIPVs

Tecnologias c-Si populares como PERC e TOPCon ultrapassaram a tecnologia de painel solar CIGS em algumas métricas, mas essa tecnologia de filme fino ainda é altamente capaz de competir com elas.

A maior eficiência registrada para células solares CIGS está alguns pontos abaixo da TOPCon e apenas um pouco abaixo da tecnologia PERC. Embora os módulos de produção em massa possam ir um pouco acima de 18%, os pesquisadores japoneses já estão trabalhando para aumentar essa eficiência além do limite de 20%.

Um grande ponto a favor dos painéis solares de película fina CIGS é a sua coeficiente de temperatura. TOPCon é a tecnologia de melhor desempenho, mas o CIGS funciona melhor em climas extremos do que a tecnologia PERC e também executa excepcionalmente em condições de luz difusa.  

O ponto mais forte a favor da tecnologia de painel solar de filme fino CIGS é o alto número de aplicações que superam as tecnologias PERC e TOPCon PV. Os painéis solares CIGS podem ser usados ​​como módulos rígidos tradicionais, como módulos fotovoltaicos flexíveis para instalar em telhados curvos ou edifícios de formato irregular e para muitas outras aplicações.

O peso leve de painéis solares CIGS é ótimo para aplicações onde há um limite máximo de peso. O peso dos módulos fotovoltaicos PERC e TOPCon pode variar de 18 kg a 33 kg, mas alguns painéis solares de película fina CIGS mal pesam cerca de 5 kg. Isso os torna uma excelente opção para casas com limitações de peso do telhado para aproveitar a energia solar sem alterar o telhado.

Além das aplicações fotovoltaicas flexíveis e rígidas, a tecnologia solar de filme fino CIGS pode ser projetado e fabricado para aplicações BIPV. Os módulos fotovoltaicos CIGS podem ser produzidos em várias cores e padrões, criados em formas personalizadas para aplicações estéticas ou usados ​​como fachadas fotovoltaicas, janelas de vidro solar, telhas e muito mais.

Painéis solares de filme fino CIGS e seu mercado: uma visão geral do futuro

Os painéis solares de filme fino CIGS atualmente possuem apenas 1% da quota de mercado, mas a tecnologia tem crescido constantemente na indústria solar desde 2017, tornando-a uma das mais importantes tecnologias solares de película fina. Espera-se que a tecnologia de painéis solares de filme fino CIGS continue crescendo a uma taxa composta de crescimento anual (CAGR) de 6.97% de 2019 a 2027.

Atualmente, existem vários fabricantes de painéis solares CIGS. Entre elas estão a Flisom, com sede na Suíça, com uma linha de produção de 15 MW, a Sunflare com capacidade de produção de 40 MW e várias outras, incluindo a startup francesa conhecida como Solar Cloth, que começou recentemente com uma capacidade de produção de 20 MW.

Outro aspecto importante a considerar ao falar sobre o futuro da tecnologia de painéis solares de película fina CIGS é o número de projetos que visam aprimorar essa tecnologia.

Células solares em tandem CIGS-perovskita

Um desenvolvimento promissor envolvendo células solares CIGS é a criação das células solares tandem CIGS-perovskita. A tecnologia oferece grandes oportunidades para a futura indústria solar, pois tem provado uma eficiência de conversão solar de mais de 24%, apresentando leveza, flexibilidade e resistência à radiação.

Células solares CIGS de alto desempenho

Outro projeto promissor é o desenvolvimento de células solares CIGS de alto desempenho usando um método de síntese aprimorado. O Projeto UL-Flex-Cell terminou em fevereiro de 2023, com um orçamento próximo dos 160,000€, e foi coordenado pelo Laboratório Ibérico Internacional de Nanotecnologia. O projeto visava melhorar a fabricação da célula solar CIGS para aumentar a eficiência dos módulos.

Aplicando a tecnologia de células solares de silício às células solares CIGS

Não há um projeto de melhoria da tecnologia fotovoltaica destinado a combinar a tecnologia de células solares c-Si com células solares CIGS, aumentando a eficiência das células solares para 23% a 26%, melhorando a estabilidade e a confiabilidade e reduzindo os custos. O projeto foi hospedado pelo Interuniversitair Micro-Electronica Centrum (IMEC), teve um orçamento de pouco menos de € 2,000,000 e terminou no terceiro trimestre de 3. Os resultados são publicado em 33 artigos revisados ​​por pares, 1 livro monográfico e 1 conferência.

Projeto NovaCell

Finalmente, no terceiro trimestre de 3, foi anunciado o Projeto NovaCell que é hospedado pelo Grupo de Pesquisa NOA. Este projeto visa desenvolver uma nova arquitetura para células solares CIGS. Eles planejam conseguir isso reduzindo a espessura da célula solar para 700 nm, economizando materiais e, ao mesmo tempo, alcançando uma eficiência de célula solar CIGS de 16% a um custo baixo.

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