Epilog: Estetisk teori, autonomi og artikulerende fremmedgjøring a) Estetisk teori og autonomi

2.9.1 – Silício cristalino (c-Si)

O silício é o segundo elemento mais abundante na superfície de nosso planeta, pois mais de 25% da crosta terrestre é formada por ele (Rüther, 2004), superado somente pelo oxigênio (DOE EERE, 2005). O c-Si é a forma mais tradicional de tecnologia fotovoltaica, e representa cerca de 80% dos módulos comercialmente produzidos, consolidando-se no mercado por sua extrema robustez e confiabilidade. Por possuir elevado custo de produção e as possibilidades de reduzi-los estarem praticamente esgotadas, esta tecnologia é considerada por muitos analistas como pouco competitiva com formas convencionais de geração de energia em larga escala (Rüther, 2004).

A cristalinidade do silício indica quão perfeitamente ordenados estão os átomos da estrutura. Uma distribuição uniforme facilita a passagem dos elétrons pela junção, enquanto que uma descontinuidade aumenta a probabilidade do elétron se recombinar com uma lacuna antes de contribuir para a corrente elétrica.

O silício monocristalino é refinado para atingir uma pureza entre 99,99% e 99,9999%. O silício de alta pureza é derretido e colocado em contato com uma “semente”, ou seja, um único cristal, e à medida em que ocorre a solidificação, o silício se modela conforme a estrutura desta semente, possuindo uma única estrutura cristalina. Por conta desta terminologia, diz-se que o silício derretido está “crescendo” enquanto se solidifica.

Existem três processos que podem ser utilizados: método Czochralski, que é o mais difundido, técnica float-zone e técnica ribbon-growth.

No processo Czochralski, o silício bruto é primeiro derretido e purificado em um cadinho, e depois entra em contato com uma semente do cristal, a qual é mergulhada no cadinho com o silício líquido, e depois é retirada lentamente por cima, fazendo com que uma estrutura cilíndrica monocristalina se solidifique à medida em que a semente é erguida, conforme figura 2.25.

Figura 2.25 – Crescimento do silício monocristalino utilizando a técnica Czochralski. (fonte: DOE – EERE, 2005, modificado)

O processo float-zone produz cristais de silício mais puros que o método Czochralski, pois não ocorre a contaminação pelo cadinho. Nesta técnica, uma barra de silicone com uma semente é lentamente inserida em uma espiral eletromagnética. O campo magnético induz um campo elétrico na barra, aquecendo e derretendo a união entre a barra e a semente.

Silício monocristalino é formado nesta união, crescendo à medida em que a bobina é levantada.

Após a barra cilíndrica de silício monocristalino ser produzida, independente do método, ela deve ser fatiada em finas camadas, entre 200 a 400 µm, o que provoca um desperdício de aproximadamente 20% do material. Para maximizar a quantidade de células que podem ser agrupadas em um painel, elas são cortadas em formato retangular, o que faz com que o desperdício total do material já tratado chegue a 50%. Caso espaço para instalar os painéis não seja problema, pode-se utilizar células arredondadas, o que minimiza a perda de silício. Estas lâminas são então dopadas para produzir o campo elétrico necessário, revestidas com uma camada para reduzir a reflexão e os contatos elétricos são inseridos, colocando a célula fotovoltaica em funcionamento.

As duas técnicas mencionadas são complexas e caras, por utilizarem consumo intenso de energia, uma vez que as temperaturas envolvidas são da ordem de 1400ºC. Outro processo, mais barato, porém com qualidade inferior, é chamado de ribbon growth, que consiste em criar diretamente camadas finas, evitando o desperdício que ocorre no fatiamento das barras cilíndricas. Utiliza-se dois cristais que crescem e capturam um material entre eles quando são removidos da fonte de silício derretido.

O silício policristalino (p-Si) utiliza técnicas menos rígidas de fabricação, resultando em uma menor eficiência, porém com menor gasto de energia. O método de produção comercialmente mais utilizado consiste em despejar silício derretido em um forma, permitindo que ele se solidifique em um lingote, conforme figura 2.26. O material que dá início ao processo pode ser silício com menor grau de pureza que o utilizado para obter o monocristalino. A taxa de resfriamento é quem determina o tamanho final dos cristais e a distribuição das irregularidades. A forma é normalmente quadrada, produzindo um lingote que, após ser fatiado, se ajusta melhor aos módulos.

Figura 2.26 – Processo de fabricação do silício policristalino. (fonte: DOE – EERE, 2005, modificado)

A eficiência de conversão do silício policristalino é menor, porém como seu custo também é inferior, há uma redução final no custo do kW instalado, sobre o silício monocristalino (Patel, 1999).

A figura 2.27 apresenta o aspecto visual que permite diferenciar o silício monocristalino do policristalino.

(a) (b)

Figura 2.27 – Aspecto visual do (a) silício monocristalino e (b) policristalino (fonte: CRESESB, 2005)

2.9.2 – Silício amorfo hidrogenado

O silício amorfo, por não possuir uma estrutura cristalina, apresenta vários defeitos nas ligações, o que aumenta a probabilidade de recombinação dos pares elétrons-lacunas. Seu processo de fabricação é mais barato, porém sua potência de saída é mais baixa, sendo

inicialmente utilizado em calculadoras, que possuem baixo consumo. Este problema é minimizado com a hidrogenação, onde átomos de hidrogênio se ligam aos defeitos das ligações, permitindo que os elétrons se movimentem mais facilmente. A figura 2.28 ilustra esta situação.

Figura 2.28 – Hidrogenação do silício amorfo, reduzindo as possibilidades de recombinação dos pares elétron-lacuna

(fonte: DOE – EERE, 2005, modificado)

O silício amorfo absorve 40 vezes mais irradiância solar que o silício monocristalino, pois possui uma resposta espectral mais voltada para a região azul do espectro eletromagnético, mostrando ser mais eficiente nas condições de iluminação artificial, tal como lâmpadas fluorescentes, e para irradiância difusa, como a que predomina em dias com céus encobertos. Logo um filme fino, de aproximadamente 1 µm de espessuram, pode absorver até 90% da energia luminosa. Gastando menos de 1% de matéria prima que o silício cristalino, o custo da célula fotovoltaica fica reduzido. Outra vantagem é necessitar de baixas temperaturas durante o processo de fabricação, menor que 300ºC, e poder ser depositado em substratos baratos, tais como plástico, vidro e metais. Esta característica o torna ideal para integrar produtos fotovoltaicos aos edifícios, seja em formato de vidraças, telhas ou detalhes arquitetônicos, com materiais flexíveis ou em superfícies curvas. A figura 2.29 apresenta uma aplicação em telhado. Somente a residência da extrema direita possui módulos fotovoltaicos de filmes finos de silício amorfo, mostrando o acabamento e a discrição possibilitada por esta tecnologia

Uma desvantagem é a instabilidade que o silício amorfo apresenta quando é exposto à luz solar, pois sua potência elétrica inicial decai em até 20% antes de estabilizar-se, efeito este chamado de Staebler-Wronski (DOE EERE, 2005).

Figura 2.29 – Aplicação de filme fino de silício amorfo em telhado de residência. (fonte: Rüther, 2004)

2.9.3 – Filmes finos

O termo filmes finos tem este nome não pela pequena espessura do filme utilizado, mas pelo método empregado, onde o filme é depositado em camadas finas e consecutivas de átomos, moléculas e íons. A espessura varia de 1 a 10 µm, enquanto que as outras tecnologias utilizam de 100 a 300 µm. Com um custo de produção inferior quando comparado ao silício cristalino, as técnicas utilizadas podem ser por vapor físico, vapor químico ou de maneira eletroquímica, ou uma combinação delas, e podem ser assentados em substratos de baixo custo, da mesma maneira que o silício amorfo.

O filme fino não necessita de uma grade de contatos metálicos em sua superfície para coletar os elétrons; uma fina camada de um óxido condutor transparente, como óxido de estanho, é aplicada e realiza este papel. Telureto de cádmio e disseleneto de cobre (gálio) e índio são exemplos.