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Olá Mundo!

Como a 'bola de silício' contribui para o BIPV: fachadas solares e janelas

O mercado de energia fotovoltaica integrada em edifícios (BIPV) está preparado para um crescimento significativo a uma taxa composta de crescimento anual (CAGR) de em torno de 20% de 2024 para 2032. 

Atualmente, embora os painéis c-Si e de película fina sejam tecnologias dominantes neste mercado, ainda existem desafios nas suas aplicações no mundo real que podem potencialmente dificultar o desenvolvimento do BIPV.

O surgimento da 'bola de silício' apresenta uma solução promissora para o BIPV, combinando vantagens que outras tecnologias podem não ter. Este artigo irá guiá-lo através da 'bola de silício', juntamente com uma comparação com outras soluções BIPV.

Módulo solar transparente baseado em bola de silício
Fonte: SOFTPV

Fundo da bola de silicone

Uso restrito da tecnologia c-Si tradicional

Embora bem estabelecida, a tecnologia c-Si tradicional está em grande parte confinada a instalações solares em telhados dentro do domínio do BIPV. Esta restrição decorre principalmente do fato de que os materiais c-Si são relativamente espessos (150-200 μm), tornando-os inadequados para aplicações em fachadas de edifícios ou janelas onde transparência é um requisito crucial.

Além disso, uma boa transparência não pode ser alcançada apenas reduzindo a sua espessura, uma vez que o corte demasiado fino destes materiais comprometeria significativamente a eficiência, bem como tornaria os painéis mais propensos a rachar ou quebrar sob tensão mecânica ou impacto.

Fornecimento limitado de tecnologia CdTe

Embora tenhamos concluído neste artigo Embora a tecnologia CdTe seja uma solução BIPV comprovada para fachadas ou janelas de edifícios, o fornecimento das suas matérias-primas é relativamente limitado em comparação com o silício. Isto pode representar um desafio, especialmente se houver planos para uma expansão em grande escala.

A equipe por trás da Silicon Ball

À medida que o mercado BIPV continua a crescer, equipas em todo o mundo procuram ativamente soluções inovadoras para superar os desafios que surgem durante o desenvolvimento de projetos BIPV.

O conceito de 'bola de silício' foi proposto e implementado pela primeira vez pela startup de tecnologia solar SOFTPV, com sede na Coreia.

Fundada em 2017, esta empresa é liderada pelo Dr. James Hyeonwoo Ahn, que tem mais de duas décadas de experiência nas áreas de materiais solares e eletrônicos. Desde a sua criação, a empresa tem sido dedicado a soluções baseadas em silício para BIPV. 

Debaixo o apoio de um think tank composto por professores, pesquisadores e profissionais com doutorado em diversas áreas, incluindo engenharia elétrica, ciência de materiais e muito mais, a SOFTPV continua refinando suas soluções BIPV baseadas em esferas de silício e se esforça para sua comercialização.

O que é uma bola de silicone? Como é fabricado?

Conforme observado pela empresa, uma bola de silício é uma partícula solar esférica feito com polissilício. 

Fabricação de diferentes camadas

O processo de fabricação envolve derreter o material de polissilício dopado com boro em altas temperaturas e depois resfriá-lo sob condições controladas para formar bolas de tamanho específico, variando de 0.35 para 1.8mm em diâmetro. 

A seguir, a camada semicondutora tipo n, formada pela difusão do oxicloreto de fósforo (POCl3), é adicionado a essas bolas. Esta adição, combinada com o material tipo p existente, cria a junção pn.

Em seguida, uma camada de passivação é aplicada para reduzir a recombinação dos portadores de carga, seguida pela adição de uma camada anti-reflexo para maximizar a absorção de luz, semelhante aos painéis c-Si tradicionais.

Por último, uma camada de óxido condutor transparente (TCO) é adicionada para coletar corrente, reduzir a resistência em série e melhorar o desempenho geral dessas bolas.

Formação de Eletrodos

A formação dos eletrodos dessas bolas de silício é um processo significativamente mais complexo, pois envolve a manipulação de um objeto de apenas cerca de 1 mm de diâmetro!

Primeiramente, um lado da bola de silício é aberto e polido. O centro da superfície polida, ou seja, a área do material tipo p, é processado para ser o ânodo (+) imprimindo pasta condutora e conduzindo tratamento térmico sofisticado, enquanto a periferia externa se torna o cátodo (-) usando processamento semelhante.

O esquema abaixo ilustra as localizações e estruturas dos eletrodos.

Eletrodos de uma bola solar de silício

O que é a solução BIPV baseada em bola de silício?

Após a fabricação de múltiplas camadas e a formação de eletrodos, é criada uma bola de silício completa. Essencialmente, tal bola serve como uma célula solar equivalentes aos encontrados em painéis c-Si planos tradicionais.

Montagem do Módulo

Assim como os painéis tradicionais, essas bolas solares de silício devem ser conectadas entre si para formar um sistema completo para fornecer potências específicas.

Nas aplicações BIPV, um painel quando utilizado em fachada ou como vidro de janela deve possuir certa transparência. Caso contrário, não faria sentido.

Essas bolas solares de silício são conectadas de maneira distinta para proporcionar flexibilidade na transparência.

O substrato utilizado para montar essas bolas de silício apresenta padrões de circuitos elétricos via impressão, seja um laminado rígido ou um filme flexível.

As bolas solares são então montadas no substrato usando a tecnologia de montagem em superfície (SMT) processo. A eletricidade gerada pelas esferas de silício flui através do circuito impresso que é configurado em conexões em série e/ou paralelas para fornecer a tensão e a corrente necessárias.

Recursos avançados

O filme usado como substrato é transparente por si só. Além disso, a transparência geral desse tipo de módulo solar pode ser ajustada por controlando o tamanho e espaçamento das bolas de silício. Em outras palavras, bolas maiores e espaçamentos menores levarão a maior rendimento energético, mas menor transparência; e vice versa.

Notavelmente, ao contrário dos substratos planos e rígidos tradicionais, o substrato de filme utilizado nestes módulos solares de esfera de silício é dobrável e pode ser moldado em formato personalizado e tingido com cor. Essas propriedades abrem vastas possibilidades em aplicações BIPV.

Além disso, o substrato impresso com circuito PCB também serve como plataforma e pode ser equipado com componentes eletrônicos como LEDs, sensores, chips e microbaterias para criar um módulo solar BIPV inteligente. Essa versatilidade definitivamente leva a imaginação a novos patamares no BIPV.

BIPV baseado em bola de silício versus outras soluções

Sem dúvida, esta solução BIPV baseada em esfera de silício apresenta um diferencial único em relação a outras soluções BIPV disponíveis.

Por um lado, este módulo de esfera de silício apresenta uma abordagem única para tornar os módulos baseados em silício transparentes o suficiente para adoção em fachadas e janelas de edifícios. O design de forma de esfera tridimensional realiza obstrução visual mínima enquanto oferece uma quantidade máxima de área de superfície para absorção.

Esta abordagem contrasta fortemente com a abordagem utilizada nos painéis CdTe BIPV. Este último ajusta a transparência controlando a espessura ou densidade dos seus materiais fotovoltaicos contínuos. 

E, diferentemente dos painéis esféricos de silício, esses painéis solares transparentes de CdTe normalmente têm sua camada fotovoltaica e camadas associadas imprensadas entre dois vidros temperados para formar um módulo completo. Geralmente são instalados em novas fachadas ou janelas, ou usados ​​para substituir materiais atuais.

Embora possam ser tecnicamente montados e instalados como painéis transparentes CdTe BIPV, esses painéis solares de esfera de silício oferecem uma solução mais simplificada, permitindo uma fixação simples nas superfícies internas de fachadas e janelas. Esta vantagem permite um processo extraordinariamente contínuo para modernização ou “solarificação” de fachadas e janelas de edifícios existentes.

Os prós e contras desta solução BIPV

Em resumo, quando comparados às soluções existentes, os painéis esféricos de silício apresentam uma série de vantagens e desvantagens para aplicações BIPV.

Prós dos módulos solares de bola de silício

  • Fornecimento abundante de materiais: Em contraste com o cádmio e telúrio usado em painéis de CdTe, o silício para esses painéis esféricos de silício é abundante, estabelecendo as bases para a futura produção em massa.
  • Versatilidade: A transparência e a potência desses painéis podem ser personalizadas ajustando o tamanho e o espaçamento das bolas solares de silício. Ao aproveitar a tecnologia avançada de impressão de circuitos e substratos de filmes flexíveis, esses painéis podem ser facilmente adaptados para atender aos requisitos exclusivos de vários projetos BIPV.
  • Fácil instalação: Podem ser montados e instalados com facilidade, tal como os painéis transparentes de CdTe, mas levam-no ao próximo nível, permitindo a conversão de envolventes de edifícios existentes em geradores solares, simplesmente fixando-se às superfícies.
  • Atualização inteligente: Ao integrar componentes eletrônicos inteligentes em seu substrato, eles se tornam um módulo multifuncional completo que funciona para qualquer aplicação específica, como coleta de dados, monitoramento, comunicação e sinalização IoT.

Contras dos módulos solares de bola de silício

  • Confiabilidade a ser comprovada: Em geral, esta tecnologia solar de bola de silício ainda está sendo refinada e aguardando um catalisador para impulsionar sua comercialização. Qualquer manipulação dessas bolas com diâmetro de 0.35 a 1.8 mm requer um trabalho extremamente preciso. Em comparação com a tecnologia de painel transparente CdTe existente, sua confiabilidade ainda requer validação por meio de testes estendidos e diversas aplicações no mundo real.
  • Custo: Mesmo quando disponíveis comercialmente, esses módulos de esfera de silício seriam inicialmente caros. Durante esse período, poderão ser mais adequados para projetos emblemáticos ou demonstrativos, em vez de edifícios ou estruturas típicas.

Palavras finais

Apesar dos desafios, as perspectivas da tecnologia de painel BIPV de esfera de silício continuam promissoras.

Esta tecnologia apresenta uma forma inovadora de utilizar o abundante material fotovoltaico. Repetindo para dar ênfase, sua instalação super prática, semelhante à aplicação de uma película de vidro, é uma vantagem incomparável até agora no domínio das soluções de painéis BIPV.

No entanto, sua confiabilidade é uma grande preocupação.

Se você procura uma tecnologia confiável e comprovada que ofereça grande flexibilidade para integrar energia solar em suas fachadas ou janelas, vale a pena considerar os painéis transparentes de CdTe.

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