O que é o Band Gap de Células Solares?

Conteúdo

1. Introdução
2. O que é um Band Gap?
3. Por que o Band Gap é Importante?
4. Por que o Band Gap de 1,5 eV é Considerado Ótimo?
5. Band Gap de Diferentes Materiais
6. Otimização do Band Gap e Aplicações Práticas
7. Conclusão

Introdução

O processo de geração de eletricidade usando painéis solares depende principalmente de um passo crucial. Os elétrons transitam do nível de valência (dentro da junção PN do painel solar) para o nível de condução (circuito externo, como uma bateria). Elétrons que residem no nível de valência, sem energia externa, são chamados assim. Para produzir eletricidade, esses elétrons devem se mover para o circuito externo, conhecido como nível de condução.

Os elétrons não transitam do nível de valência para o nível de condução por conta própria. Uma certa quantidade de energia (chamada de band gap) deve ser fornecida para facilitar essa transição.

O que é um Band Gap?

O band gap é um conceito crítico em materiais semicondutores, referindo-se à energia mínima necessária para que os elétrons saltem para um nível de energia mais alto. É semelhante a crianças precisando de força suficiente para pular para o próximo quadrado na amarelinha. O tamanho do band gap determina o intervalo de comprimentos de onda de fótons que um material pode absorver, sendo crucial para gerar corrente em painéis solares ao absorver eficientemente os fótons ao longo do espectro solar. Tamanhos variados de band gap permitem que os materiais otimizem a absorção de fótons em regiões de luz de alta ou baixa energia, adaptando-se às diversas necessidades ambientais e de aplicação.

Para condutores, não há lacuna entre a banda de condução e a banda de valência, portanto, a banda de condução está preenchida com elétrons, tornando o material altamente condutivo. Em contraste, isolantes têm uma grande lacuna entre a banda de valência e a banda de condução, impedindo que os elétrons na banda de valência saltem para a banda de condução, o que torna o material não condutivo. Semicondutores possuem um band gap que está entre esses dois extremos, geralmente tornando-os não condutivos. No entanto, quando a energia é adicionada (por meio de luz, calor, etc.), os elétrons na banda de valência podem se mover para a banda de condução, permitindo que o material conduza eletricidade.

Por que o Band Gap é Importante?

As células solares funcionam absorvendo energia da luz solar, o que faz com que os elétrons saltem para níveis de energia mais altos, criando uma corrente elétrica. O band gap determina quais partículas energéticas (fótons) na luz solar a célula solar pode absorver. Se o band gap for muito grande, muitos fótons não terão energia suficiente para fazer os elétrons saltarem. Se o band gap for muito pequeno, o excesso de energia será desperdiçado. Portanto, o band gap correto permite que as células solares convertem a luz solar em eletricidade de forma mais eficiente.

Por que o Band Gap de 1,5 eV é Considerado Ótimo?

Quando os fótons excitam elétrons próximos ao band gap de um semicondutor, três situações podem ocorrer:

1. Quando a energia de um fóton é menor do que a energia do band gap do semicondutor, os elétrons não absorvem a energia do fóton, e o fóton passa pelo semicondutor. Isso é chamado de perda de transparência.
2. Se a energia do fóton for igual à energia do band gap do semicondutor, os elétrons absorvem a energia do fóton e saltam do máximo da banda de valência (VBM) para o mínimo da banda de condução (CBM). O campo elétrico incorporado na junção PN separa esses elétrons, convertendo totalmente a energia do fóton absorvido em energia elétrica.
3. Se a energia do fóton for maior do que a energia do band gap do semicondutor, os elétrons absorvem a energia do fóton e saltam para uma posição mais alta do que o mínimo da banda de condução (CBM). A energia excedente é então liberada como calor por meio de um processo chamado relaxação, conhecido como perda por termalização. Os elétrons eventualmente caem para o mínimo da banda de condução, e o campo elétrico incorporado os separa, convertendo parte da energia do fóton em energia elétrica.

Com base na descrição acima, podemos tirar as seguintes conclusões:

1. Um band gap maior significa que mais fótons de baixa energia não conseguem excitar elétrons da banda de valência para a banda de condução. Portanto, mais fótons não são absorvidos, levando a uma maior perda de transparência. Em termos simples, quanto maior o band gap, maior a perda de transparência. Isso é representado pela linha pontilhada no gráfico do canto inferior esquerdo para o canto superior direito.
2. Um band gap menor resulta em mais fótons sendo absorvidos. No entanto, a energia excedente desses fótons é dissipada como calor através de processos de relaxação, aumentando a perda por termalização. Em resumo, quanto menor o band gap, maior a perda por termalização. Isso é mostrado pela linha pontilhada no gráfico do canto superior esquerdo para o canto inferior direito.

No final, a eficiência real de conversão da luz solar em eletricidade, η, pode ser descrita como:

η = 1 - Perda de transparência - Perda por termalização

A linha sólida no gráfico mostra que essa eficiência atinge o pico no meio e diminui em ambas as extremidades. Isso é fácil de entender: quando o band gap é muito grande, quase nenhum fóton é absorvido, resultando em quase zero eficiência de conversão elétrica. Da mesma forma, quando o band gap é muito pequeno, a maior parte da energia dos fótons é perdida como calor após ser absorvida, também levando a uma eficiência quase zero. A eficiência máxima ocorre em algum ponto intermediário, geralmente entre 1,0 eV e 1,5 eV, como mostrado no gráfico. É importante observar que esse gráfico pode não representar as condições sob o espectro AM1.5, onde um band gap em torno de 1,5 eV.

Band Gap de Diferentes Materiais

1. Silício

O silício é um dos materiais chave para as células solares atuais. Ele possui uma largura de band gap de aproximadamente 1,1 elétron-volts (eV), permitindo converter efetivamente uma ampla gama de comprimentos de onda da luz solar. A eficiência das células solares à base de silício foi extensivamente validada, com testes laboratoriais mostrando células solares de silício monocristalino alcançando até 26,7% de eficiência de conversão, enquanto produtos comerciais geralmente atingem cerca de 20%. Este material é bem adequado para diversas condições globais de radiação solar, oferecendo excelente estabilidade e uma longa vida útil. Dados indicam que sistemas fotovoltaicos que utilizam células solares de silício geralmente têm uma vida útil superior a 25 anos.

Desde 2008, a Maysun Solar tem se dedicado à produção de módulos fotovoltaicos de silício de alta qualidade. A Maysun Solar oferece uma variedade de painéis solares TOPCon, IBC, HJT, bem como estações de energia solar para varandas. Esses painéis solares oferecem excelente desempenho e design elegante, integrando-se perfeitamente a qualquer construção. A Maysun Solar estabeleceu com sucesso escritórios e armazéns em muitos países europeus e tem parcerias de longo prazo com instaladores excelentes! Não hesite em nos contatar para cotações de módulos mais recentes ou para qualquer consulta sobre fotovoltaicos. Estamos felizes em ajudar.

2. Perovskita

Os materiais de perovskita podem ajustar seu band gap através da síntese química, oferecendo potencial para aumentar a eficiência e reduzir os custos de fabricação. Normalmente, o band gap das células solares de perovskita varia de 1,5 a 2,3 elétron-volts (eV), permitindo-lhes absorver eficientemente o espectro de luz visível da luz solar. Nos últimos anos, essas células solares passaram por um rápido aumento na eficiência, subindo de menos de 4% em 2009 para mais de 25% atualmente. Elas podem ser combinadas com silício para formar células solares em tandem, aumentando a eficiência geral e beneficiando-se de processos de fabricação a baixa temperatura que reduzem significativamente os custos de produção.

Pesquisadores da Universidade de Cambridge estão focados em materiais de perovskita para LEDs flexíveis e células solares de próxima geração. Eles descobriram que simplificar a sequência de composição química pode melhorar muito a eficiência e reduzir os custos de produção. Atualmente, esforços estão em andamento para abordar questões de estabilidade e durabilidade ambiental, visando facilitar sua aplicação comercial em larga escala.

3. Outros Materiais

Cientistas em todo o mundo estão pesquisando materiais avançados como seleneto de cádmio e gálio (CIGS), nitreto de gálio, germânio e fosfeto de índio. Esses materiais são projetados para ajustar os limites do band gap das células solares de múltiplas junções de forma eficaz, convertendo todo o espectro da luz solar em eletricidade.

O seleneto de cádmio e gálio (CIGS) e materiais semelhantes possuem um band gap relativamente estreito (aproximadamente 1,0 a 1,7 elétron-volts, eV), permitindo-lhes um bom desempenho em condições de baixa luminosidade. As células solares CIGS mantêm alta eficiência mesmo em dias nublados e em luz fraca, tornando-as particularmente adequadas para condições ambientais específicas. Por exemplo, em partes da Europa onde a intensidade da luz solar é menor durante todo o ano, os painéis solares CIGS demonstram vantagens significativas de desempenho. Em condições de laboratório, as células solares CIGS alcançaram eficiências de conversão de até 23,4%, enquanto produtos comerciais geralmente variam de 15% a 18%. Além disso, os materiais CIGS são flexíveis e podem ser usados para fabricar células solares dobráveis, oferecendo mais opções para fotovoltaicos integrados em edifícios e dispositivos portáteis.

Otimização do Band Gap e Aplicações Práticas

A otimização do band gap é uma tecnologia chave para melhorar o desempenho das células solares. Ao ajustar precisamente o band gap dos materiais, é possível alcançar melhorias significativas na eficiência de conversão fotovoltaica e na versatilidade de aplicação. Nas aplicações práticas, o impacto da otimização do band gap é evidente em vários aspectos:

1. Aumentando a Eficiência de Conversão Fotovoltaica:Otimizar o band gap dos materiais permite que as células solares absorvam e convertam fótons de forma mais eficaz ao longo do espectro solar. Por exemplo, ao empregar a tecnologia de células solares de múltiplas junções, que sobrepõe materiais com diferentes band gaps, maximiza-se a absorção de diferentes comprimentos de onda de luz, aumentando significativamente a eficiência geral. Esta tecnologia já alcançou eficiências laboratoriais superiores a 40% em células solares espaciais e aplicações terrestres de alta eficiência.
2. Adaptando-se a Condições Ambientais Diversas:Materiais com diferentes band gaps são adequados para diferentes condições ambientais. Materiais com band gaps mais largos, como o silício, podem operar de forma estável em uma ampla gama de condições de radiação solar, enquanto materiais com band gap mais estreito, como o CIGS, se destacam em condições de baixa luminosidade. Através da otimização do band gap, as células solares podem ser projetadas para se adaptar a vários climas e condições de luz, aumentando sua aplicabilidade global.
3. Reduzindo Custos de Fabricação:A otimização do band gap não apenas melhora a eficiência, mas também reduz os custos de produção por meio de inovações em materiais e processos. Por exemplo, os materiais de perovskita exibem excelentes capacidades de ajuste do band gap e processos de fabricação econômicos, com progresso rápido na comercialização. Otimizar o band gap pode facilitar processos de fabricação mais eficientes, reduzindo o custo por watt e melhorando a competitividade no mercado.
4. Impulsionando o Desenvolvimento de Novos Materiais Fotovoltaicos:As técnicas de otimização do band gap estão impulsionando o desenvolvimento de novos materiais fotovoltaicos, como perovskitas haloidais orgânico-inorgânicas e materiais de pontos quânticos. Esses novos materiais, com band gaps precisamente ajustados, demonstram maior eficiência e potencial de aplicação mais amplo. No futuro, espera-se que essas tecnologias possibilitem aplicações inovadoras, como dispositivos fotovoltaicos vestíveis e sistemas fotovoltaicos integrados em edifícios.

Conclusão

Em conclusão, a otimização do band gap desempenha um papel crucial em aplicações práticas ao não apenas aumentar a eficiência das células solares, mas também melhorar sua adaptabilidade, reduzir custos e impulsionar o desenvolvimento de novas tecnologias. Com os avanços contínuos na ciência dos materiais e nos processos de fabricação, a otimização do band gap continuará a promover a adoção e o avanço generalizado da tecnologia solar, lançando as bases para o futuro da energia renovável global.

Referência:

Células Solares: A Guide to Theory and Measurement. (n.d.). Ossila. https://www.ossila.com/pages/solar-cells-theory

Porque é que as células solares são tão ineficientes? (n.d.-c). http://m.myjizhi.com/1000000000665023

Niclas. (2024, 22 de fevereiro). Energy Band Gap of Solar cells. Sinovoltaics (Escritório de Hong Kong). https://sinovoltaics.com/learning-center/solar-cells/energy-band-gap-of-solar-cells/

Explicado: Bandgap. (2010, 23 de julho). MIT News | Instituto de Tecnologia de Massachusetts. https://news.mit.edu/2010/explained-bandgap-0723

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