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Painéis solares de filme fino: tecnologias, prós e contras e usos

A indústria fotovoltaica (PV) é liderada pela tecnologia tradicional de silício cristalino rígido (c-Si), apresentando alta eficiência, baixo preço e maior disponibilidade, mas esta não é a única opção disponível. Tecnologia solar de filme fino inclui muitos recursos que o tornam exclusivo para aplicações específicas que não são adequados para módulos fotovoltaicos c-Si tradicionais.

Existem muitas tecnologias solares populares de filme fino disponíveis no mercado, incluindo arseneto de gálio (GaAs), telureto de cádmio (CdTe) e outras, com novas sendo pesquisadas e desenvolvidas.

Neste artigo, você aprenderá sobre a mais importante tecnologia solar de filme fino, suas aplicações, vantagens e desvantagens e outros fatos interessantes sobre a tecnologia.

Painéis solares de película fina instalados no telhado
By SolarShop Austrália, Modificações: Corte (CC BY-NC-SA 2.0

O que são painéis solares de película fina e por que são tão importantes para a indústria fotovoltaica?

A tecnologia de painéis solares de película fina consiste na deposição de camadas extremamente finas (nanômetros até micrômetros) de semicondutores em materiais de suporte que fornecem o corpo para um módulo fotovoltaico. Esses materiais geram eletricidade a partir da radiação solar sob o efeito fotovoltaico.

Os módulos fotovoltaicos c-Si tradicionais eclipsaram a tecnologia solar de filme fino no passado com maior eficiência por um custo decente, mas isso tem emparelhado nos últimos anos. Atualmente, tecnologia c-Si apresenta uma eficiência melhor do que a maioria dos módulos solares de película fina por um bom custo, mas a tecnologia solar de película fina é particularmente adequada para aplicações exclusivas na indústria fotovoltaica que a tornam insubstituível pelo silício cristalino.

Um exemplo claro é a tecnologia de arseneto de gálio (GaAs). Embora tenha um custo elevado, sua alta eficiência de até 30% em condições de teste padrão (STC) e 68.9% em condições únicas de laboratório, torna-o ideal para aplicações espaciais e fotovoltaicas concentradas (CPV). A tecnologia solar de filme fino também pode ser usada para módulos FV flexíveis adequados para várias aplicações, Building Integrated Photovoltaics (BIPV), aplicações portáteis e muito mais.

As tecnologias de painéis solares de filme fino mais populares e suas aplicações

A tecnologia solar de filme fino é um compêndio de diferentes tecnologias, incluindo tecnologias de ponta, tecnologias populares usadas em aplicações comerciais e tecnologias promissoras em desenvolvimento. Nesta seção, explicamos as tecnologias solares de filme fino mais importantes e suas aplicações.

Arsenieto de Gálio (GaAs) e Germânio (Ge): O filme fino mais popular para PV concentrado (CPV) e aplicações espaciais

Arsenieto de Gálio (GaAs) e Germânio (Ge) são duas das mais importantes tecnologias solares de película fina incluídas na categoria de multijunção III-V fotovoltaica. São módulos complexos desenvolvidos e fabricados com várias junções em vez de uma única junção, projetado para superar o Limitação de eficiência Shockley-Queisser de 33.5% definido para células solares de banda proibida simples.

GaAs e Ge as células solares de filme fino são fabricadas usando Gálio e Arseneto para GaAs e Germânio para os módulos fotovoltaicos Ge. O design de multijunção III-V em combinação com os materiais aumenta o bandgap, resultando em maior mobilidade eletrônica e velocidade saturada de elétrons, permitindo que esses módulos fotovoltaicos de película fina absorvam mais energia dos fótons e proporcionem maior eficiência.

A grande revés das células solares de filme fino de GaAs e Ge é o alto custo de fabricação e a dificuldade de crescimento para produção em massa. Embora esta seja uma limitação, sua alta eficiência atingindo até 68.9% o torna adequado exclusivamente para aplicações espaciais e energia fotovoltaica concentrada (CPV).

Telureto de cádmio (CdTe) e índio-(Gálio)-Seleneto de cobre (CIGS e CIS): o filme fino mais popular para aplicações comerciais

Painéis solares dobráveis ​​com tecnologia de filme fino
Painéis solares dobráveis ​​com tecnologias de película fina - Fonte: Reddit

Telureto de Cádmio (CdTe), Seleneto de Cobre Índio-Gálio (CIGS) e Seleneto de Cobre Índio (CIS) compreendem outro importante grupo de tecnologias solares de película fina. A eficiência recorde é definida em 22.1% para CdTe, 22.2% para CIGS e 23.5% para CIS. Eles também apresentam um custo altamente competitivo por watt ($/W).

Assim como com outras tecnologias solares de película fina, os módulos CdTe, CIGS e CIS PV são fabricados depositando camadas finas de materiais semicondutores usando técnicas como pulverização catódica, evaporação, deposição eletroquímica e outros. O material de apoio determina a flexibilidade do módulo e, portanto, sua aplicação.

Painéis solares de película fina de CdTe, CIGS e CIS não são tão populares quanto o silício cristalino para aplicações residenciais devido à menor eficiência e maior espaço por watt necessário, mas são mais baratos. O menor custo por watt torna essas tecnologias qualificadas exclusivamente para usinas de energia solar, onde o espaço de instalação não é uma limitação, mas os custos devem ser reduzidos ao mínimo.

O uso em aplicações comerciais é o papel mais importante que essas tecnologias solares de filme fino desempenham na indústria fotovoltaica. Tecnologias como CdTe, CIGS e CIS são usadas para criar dispositivos eletrônicos com geração de energia solar incorporada, módulos fotovoltaicos portáteis, BIPV, telhas solares, módulos fotovoltaicos flexíveis para várias aplicações e muito mais.

No passado, CdTe, CIGS e CIS não eram as únicas tecnologias solares de filme fino populares usadas para aplicações comerciais. Outras tecnologias importantes que detinham uma participação significativa no mercado eram o Silício Amorfo (a-Si) e o Silício Micromorfo (μ-Si), mas uma falha em aumentar a eficiência e reduzir custos fez com que desaparecessem gradualmente do mercado.

PV de película fina orgânica (OPV) e perovskitas: outras tecnologias importantes de película fina em desenvolvimento

Os painéis solares de película fina não atingiram seu pico, pois a comunidade científica ainda está trabalhando na pesquisa e desenvolvimento de tecnologias novas e mais avançadas. A tendência atual em pesquisa inclui PV de filme fino orgânico (OPV) e células em tandem com uma base de perovskita, ambas com um futuro promissor na indústria de PV.

OPVs são feitos usando dois materiais semicondutores imprensados ​​juntos, sendo uma das camadas um corante condutor ou semicondutor orgânico. Esta tecnologia mostra um futuro promissor ao oferecer baixo custo de produção e alta estabilidade e pode causar uma rápida mudança no mercado fotovoltaico do futuro se as limitações atuais forem superadas.

As células solares tandem consistem em uma tecnologia solar de película fina que pilhas camadas de junção pn perovskita em uma base de silício cristalino ou outras células solares de película fina, mostrando um futuro promissor para competir com o silício cristalino tradicional devido ao seu baixo custo potencial e alta eficiência. A eficiência recorde para células solares em tandem é atualmente fixado em 28.3% para células baseadas em c-Si, e em 26.2% para células baseadas em CIGS.

Desafios para células solares de perovskita em tandem incluir sensibilidade à água, gap largo, cristalização descontrolada e outros. As células OPV também precisam ser desenvolvidas tão grande células solares e resolver alguns outros contratempos para chegar ao mercado. No futuro, essas tecnologias solares de película fina poderão substituir módulos fotovoltaicos rígidos e outros módulos fotovoltaicos de película fina, providenciando maior flexibilidade, custos mais baixos e menor peso para módulos fotovoltaicos.

Prós e contras da tecnologia solar de filme fino

Aprender sobre os prós e contras dos diferentes grupos de tecnologia solar de filme fino é uma ótima maneira de entender seus recursos exclusivos. Nesta seção, abordamos cada um deles.

As tecnologias solares de película fina, como GaAs e Ge, são capazes de oferecer um desempenho surpreendente, mas por um custo mais alto. Outras tecnologias solares de filme fino, como CdTe, CIGS e CIS, podem exigir um grande espaço para acomodar o mesmo sistema fotovoltaico que você instalaria com módulos fotovoltaicos c-Si, mas uma melhor relação custo-benefício e propriedades exclusivas tornam essas tecnologias qualificadas de maneira única para aplicações comerciais.

À medida que essas tecnologias são desenvolvidas, avanços futuros poderiam aumentar sua eficiência e reduzir custos, tornando-os mais populares e aumentando sua participação no mercado. A tabela a seguir ilustra os prós e contras mais importantes para cada grupo de tecnologias solares de película fina:

PrósDesvantagens
GaAs & GeMaior eficiência de até 68.9%Alto custo de fabricação
Baixa temperatura de operaçãoMaior degradação das células solares
Geração de energia em condições de pouca luzMódulos fotovoltaicos são mais delicados
Coeficiente de temperatura pequeno
CdTe, CIGS e CISMateriais robustos e resistentesAlta degradação de células solares
Coeficiente de temperatura pequenoMenor eficiência do que c-Si
Maior economia em instalações de grande escala
Ideal para aplicações comerciais exclusivas
Possibilidade de produzir módulos flexíveis
OPV e Perovskita TandemPotencial para oferecer maior eficiência do que o silício cristalinoA maioria ainda na fase de pesquisa e desenvolvimento
Baixo custo de produçãoOPV ainda precisa ser produzido em células solares de grande porte
A perovskita em tandem tem que superar vários contratempos

GaAs e Ge estão entre as melhores e mais eficientes tecnologias solares de filme fino. Esses painéis solares de película fina fornecem grande eficiência e excelente desempenho em climas de baixa e alta temperatura, sendo adequados exclusivamente para CPV e aplicações espaciais. Os principais contras dessas tecnologias são um alto custo de fabricação e maior do que a degradação normal da célula solar.

As tecnologias solares de filme fino CdTe, CIGS e CIS provaram seu valor na indústria fotovoltaica. Embora menos eficientes que o silício cristalino, eles têm uma melhor relação custo-benefício e são melhores para usinas de energia solar. Suas propriedades exclusivas e baixo custo também os tornam opções ideais para aplicações comerciais, como módulos fotovoltaicos portáteis, BIPV, painéis solares flexíveis e outros.

Células solares em tandem baseadas em perovskita e OPV também têm muitas vantagens e grande potencial para impactar a indústria fotovoltaica. O único inconveniente é que os pesquisadores têm que encontrar soluções para alguns contratempos antes que essas tecnologias possam chegar totalmente ao mercado e serem usadas para todos os tipos de aplicações comerciais.

mercado de painéis solares de película fina

Produção de GWp para CIGS, a-Si e CdTe Thin-Film Solar
Produção de GWp para energia solar de filme fino CIGS, a-Si e CdTe – Fonte: Instituto Fraunhofer de Sistemas de Energia Solar

A indústria fotovoltaica é principalmente governada por tecnologia de silício monocristalino e policristalino com uma quota de produção de cerca de 95%. A tecnologia solar de filme fino também é um player na indústria fotovoltaica, apresentando uma participação de produção de 5% para uso em usinas de energia solar, BIPV, aplicações espaciais, instalações fotovoltaicas regulares em telhados e muito mais.

Em 2021, o mercado de película fina solar foi avaliado em $ 12.2 bilhões e $ 14.7 bilhões de dólares até 2022, ou cerca de 5% de todo o mercado fotovoltaico. Além disso, em 3 anos, de 2018 a 2021, a produção mundial bruta (GWp) de película fina solar de CdTe cresceu três vezes, tornando-se a tecnologia solar de película fina mais popular produzida em todo o mundo.

Como a tecnologia solar de película fina continua crescendo, espera-se que a participação de mercado para essa tecnologia se desenvolva ainda mais na indústria fotovoltaica. Um estudo da Custom Market Insights estima que até 2023 a indústria solar de película fina poderá crescer 74.82%, chegando a US$ 25.7 bilhões, detendo quase 10% da quota de mercado.

As aplicações mais importantes da tecnologia solar de filme fino

Painéis solares de película fina incluem várias tecnologias com diferentes características e propriedades. Nesta seção, explicamos aplicações importantes para tecnologias solares de filme fino como GaAs, Ge, CdTe, CIGS e CIS.

Prédio fotovoltaico integrado (BIPV)

Building Integrated Photovoltaics (BIPV) pode ser usado para fachadas, telhados e vidros. Esta aplicação substitui o telhado, janelas (envidraçados) e fachada de qualquer edifício com esteticamente superior módulos solares fotovoltaicos de película fina que integram-se totalmente no design do edifício, dotando-o da capacidade de geração de energia solar para uso local ou para exportação para a rede.

O retorno sobre o investimento (ROI) para BIPV pode ser aproximadamente estimado a partir de de 10 a 15 anos, dependendo das especificidades do sistema e localização. Os sistemas BIPV podem durar até 30 anos, fornecendo a maior parte ou toda a energia necessária para operar um edifício. As tecnologias populares usadas para BIPV incluem CdTe, CIGS e CIS.

Aplicações fotovoltaicas concentradas (CPV)

A energia fotovoltaica de baixa a alta concentração ou CPV usa dispositivos ópticos para concentrar a luz solar na superfície dos módulos fotovoltaicos. O CPV pode ser usado com qualquer painel solar, mas os painéis solares de película fina de alta eficiência, como GaAs e Ge, são melhores para essas aplicações, pois um módulo fotovoltaico pode produzir 30% a 40% mais energia do que em condições normais.

aplicações espaciais

Naves espaciais como satélites, estações espaciais e foguetes são expostos à radiação e peso limitado pode ser transportado para o espaço, tornando os módulos fotovoltaicos de película fina altamente eficientes e leves, como GaAs e Ge, adequados exclusivamente para essas aplicações. Embora sejam tecnologias caras, é mais econômico do que carregar módulos mais pesados ​​para o espaço.

Aplicativos portáteis

A tecnologia solar de filme fino como CdTe, CIGS e CIS apresenta robustez, flexibilidade, baixo custo e alta eficiência, tornando-os melhores para aplicações portáteis. Alguns deles incluem painéis solares dobráveis ​​de película fina, carregadores solares de telefone, lanternas solares, dispositivos em geral com células solares embutidas e muito mais. Aplicações portáteis futuras podem incluir smartphones solares.

Aplicações de dispositivos/equipamentos públicos

O governo e as autoridades locais também aproveitam a tecnologia solar de filme fino para instalar dispositivos e equipamentos para aplicações públicas, tornando-os independentes da rede e reduzindo o custo do consumo de energia. Algumas dessas aplicações incluem roteadores Wi-Fi públicos com painéis solares, semáforos operando com módulos solares de película fina, luz solar da ruaE muito mais.

Aplicações de veículos

Barcos, trailers, ônibus e outros veículos também aproveitam a energia solar graças à tecnologia solar de filme fino. Alguns motoristas carregam painéis solares de película fina portáteis em seus veículos, enquanto outros vão ainda mais longe instalando módulos flexíveis sobre a proa de barcos, capôs ​​ou tetos de trailers e muito mais.

Instalações fotovoltaicas em telhados

As instalações fotovoltaicas de filme fino não são tão populares quanto as c-Si, mas ainda acontecem. Algumas aplicações incluem instalações de telhas solares baseadas em tecnologia de filme fino e instalação fotovoltaica em edifícios comerciais, mas principalmente fazendas solares de película fina em escala de utilidade e instalações industriais, onde o custo mais baixo é importante e o espaço não é uma limitação.

Palavra Final: Futuro e limitações da tecnologia PV de filme fino

Compreender as limitações e o futuro esperado da tecnologia solar de película fina pode ser útil para determinar como esse ramo da indústria fotovoltaica se desenvolverá. Por exemplo, a tecnologia solar de filme fino a-Si não superou os contratempos de eficiência e custo, tornando-a mudar do mercado fotovoltaico em anos anteriores. Também há preocupações materiais tóxicos e escassez de materiais sobre produtos solares de película fina.

Surpreendentemente, também há novidades interessantes para tecnologias solares de película fina.

Uma importante é que certas tecnologias solares de película fina, como GaAs, podem ter aplicações futuras que vão além da geração de energia solar e entram no terreno da transferência de energia com o uso de óptica. Além disso, tecnologias solares de filme fino usando novos materiais podem ser desenvolvidas no futuro.

Estima-se que a indústria de tecnologia solar de película fina crescerá cerca de 10% até 2030. Com avanços, o futuro pode brilhar ainda mais na tecnologia solar de película fina, à medida que ela se desenvolve e assume uma maior participação de mercado na indústria fotovoltaica.

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