Célula solar CIGS

Célula Solar CIGS (Cobre-Índio-Gálio-Selênio) é o nome para um novo semicondutor usado em células fotoelétricas, cuja fórmula química é Cu(In,Ga)Se₂ (cobre, índio, gálio e selênio). Ao contrário das células feitas com silício que são baseadas numa junçãp p-n de um mesmo material, células CIGS são feitas com várias camadas ultra finas de diferentes semicondutores, cada qual com diferentes gaps de energia.

Fundamentos

Células solares são na verdade grandes diodos semicondutores. Quando um fóton com uma energia hν maior que o gap de energia E _g o fotão incidente penetra no material, no qual um elétron é deslocado da banda de valência para a banda de condução, e de modo oposto, uma lacuna vai da banda de condução para a banda de valência.

Após a criação deste Par Elétron-Lacuna, eles podem recombinar-se ou então ir à região de carga espacial, onde dependendo das dopagens dos materiais há uma diferença de potencial, causando tanto a aceleração do elétron na banda de condução como da lacuna na banda de valência. Quando os materiais estão conectados a condutores e eventuais consumidores de energia, é gerada uma corrente elétrica.

Composição da célula

Substrato

Como já dito, células solares tipo CIGS são constituídas de várias camadas finas (na ordem de μm). Como substrato usa-se geralmente vidro, porém as camadas podem ser depositadas em polímeros. Essa possibilidade de diversificar o substrato é uma das vantagens de uma célula CIGS em comparação às células de silício, pois não depende de uma estrutura para erguer os painéis e ela pode ser aderida em paredes e tetos, cortando custos de instalação e aumentando o apelo comercial da energia solar.

Contato

A ligação da camada fotovoltaica com o substrato é feita com uma fina camada de molibdênio, que é depositada através de vaporização em cima do substrato. O molibdênio, além de ser um bom condutor, também é um eficiente material para fazer a adesão da célula solar no substrato. Geralmente esta camada é de cerca de 0,5 μm de espessura.

Camada de absorção

A próxima camada é constituída do próprio Cu(In,Ga)Se₂, cuja função é absorver a energia solar e fornecer os pares elétron-lacuna para os condutores próximos. Vale citar que este material, quando dopado com material tipo p, apresenta uma alta capacidade de absorção de luz, sendo que uma camada de apenas 1 μm de espessura absorve cerca de 90% da luz solar incidente. Com isso, é necessária uma quantidade relativamente pequena de material para sua fabricação, quando comparado com outros tipos de célula.

Camada neutra

Acima da camada de absorção é depositada uma camada de cerca de 50 nm de CdS (sulfeto de cádmio). Esta camada junto com a camada de óxido de zinco (vide abaixo) contribuem com o lado tipo n da junção p-n da célula solar. O gap de energia do CdS é de E_g = 2,4 eV, e portanto dentro da faixa energética do espectro solar. Porém, o par elétron-lacuna aqui gerado não conseque se reencontrar na região de carga espacial e conseqüentemente não contribui para a corrente gerada na célula. Devido a camada de apenas 50 nm, pouca luz é absorvida nela antes de chegar à camada de absorção.

A função da camada neutra é proteger a camada de absorção das reações químicas causadas pelo depósito da camada de ZnO, em particular a difusão de átomos de uma camada em outra.

Camada janela

A camada janela consiste na realidade de duas camadas de ZnO (óxido de zinco): uma intrínseca e homogênea, e outra com 2% de Al₂O₃ para ter maior condutância. Essas camadas contribuem para o lado tipo n da junção p-n da célula e ao mesmo tempo serve como condutor para os pares elétron-lacunas gerados na célula.

O gap de energia do ZnO é de E_g = 3,3 eV, maior do que a energia dos fótons incidentes, e portanto, "transparente" ao espectro solar. Daí o nome da camada de "camada janela".

Vantagens e Desvantagens de células CIGS

As vantagens/desvantagens de uma célula tipo CIGS em comparação com outras tecnologias do mercado (em particular células de silício, que constitui 95% do mercado de células solares no mundo) são:

Vantagens

Economia de materiais: Devido à alta absorção do Cu(In,Ga)Se₂, é necessária uma camada de da ordem de 1 μm de espessura, enquanto células de silício necessitam de camadas da ordem de 200 a 300 μm;

Eficiência

A eficiência de células CIGS é de 18,8% para pequenas áreas, e de 11,8% para grandes áreas (0,3 x 1,2 m)².

Bibliografia

Werner, Prog. Dr. rer. nat. habil. J.H., Charakterisierung von CIS-Solarzellen, Stuttgart, 2006.