A ASTM G173 Standard Spectral Distribution of Sunlight representa um espectro solar de referência padrão usado para fins de teste e calibração de energia solar fotovoltaica. Foi definido nos anos setenta e é derivado de medições em um local com condições atmosféricas claras e uma massa de ar de 1,5 (AM 1,5), que é típica da luz solar em latitudes médias (como o meio-oeste dos EUA) quando o sol está em um ângulo moderado. O conteúdo espectral da luz solar nos países do cinturão solar, onde vive mais de 60% da população global e onde a absorção de energia fotovoltaica está crescendo em ritmo acelerado, é bem diferente do espectro padrão, e essas diferenças influenciam a produção de tecnologias fotovoltaicas emergentes, como perovskita em tandem com silício (Si), perovskita pura e tecnologias de filme fino de CdTe.
A tecnologia fotovoltaica de silício cristalino comprovada e com mais de 70 anos representa 98% do mercado solar fotovoltaico e, embora se aproxime de sua eficiência teórica máxima (30%), tecnologias emergentes como a perovskita tandem Si já atingiram cerca de 35% de eficiência de conversão e devem ganhar participação de mercado na próxima década.
As eficiências de conversão de células solares são medidas em Condições de Teste Padrão (STC), que incluem o espectro padrão, mas que nunca ocorrem simultaneamente no campo. Apesar dos esforços para introduzir o conceito de Condições de Relatório Realistas no início dos anos noventa, o STC continua sendo o conjunto preferido e conveniente de condições de classificação de energia para a indústria solar.
No entanto, o que o consumidor compra ao adquirir um módulo solar fotovoltaico com uma determinada potência (Wp) no STC é a saída de energia correspondente (kWh/ano), que dependerá de onde está operando. Essa produção de energia dependerá principalmente da temperatura de operação da célula fotovoltaica (muito raramente o padrão de 25 °C, especialmente sob altas irradiâncias em climas quentes), a irradiância integrada ao longo do ano e a distribuição espectral dessa irradiância (muito raramente o padrão AM 1,5).
Mudanças espectrais da Distribuição Padrão de Luz Solar ASTM G-173, que foi definida para a Atmosfera Padrão dos EUA de 1976 com uma carga de aerossol rural, sob condições AM 1,5, representando um ângulo zenital solar específico de aproximadamente 48,2 graus, são comuns. Os principais parâmetros atmosféricos para este espectro padrão incluem um vapor de água total da coluna de 1,42 cm, um ozônio total da coluna de 0,34 atm-cm, uma concentração de CO₂ de 370 ppmv (os níveis atuais de CO₂ no momento da escrita são 426 ppmv) e uma profundidade óptica de aerossol (AOD) de 0,084. Variações nesses parâmetros atmosféricos levam a espectros ricos em luz azul e pobres em luz vermelha, como os mostrados na figura abaixo, para quatro locais diferentes no Brasil.
Desvios (em %) do espectro padrão ASTM G-173 do conteúdo espectral da luz solar em quatro locais diferentes no Brasil (Porto Alegre, Petrolina, Alta Floresta e Manaus). Os céus brasileiros são muito mais azuis do que o padrão (Adaptado da tese de doutorado de Rafael Haag).
Imagem: ISES
Essas variações espectrais têm consequências diferentes no desempenho de saída do dispositivo fotovoltaico, dependendo de sua resposta espectral. As figuras abaixo mostram simulações realizadas no Brasil para os Fatores Espectrais (SF) desses deslocamentos no conteúdo espectral da luz solar sobre o desempenho de HBC (Heterojunction Back Contact), CdTe (Telureto de Cádmio) e filme fino de perovskita, bem como dispositivos de células solares de perovskita-silício em tandem.
No Brasil, as tecnologias de filmes finos têm apresentado importantes ganhos de desempenho (até 4%) causados pela característica distribuição espectral da luz. Para dispositivos de silício de junção única, os impactos da distribuição espectral são insignificantes (menos de 0,5%), devido à sua ampla resposta espectral. Para perovskita-silício em tandem, perdas espectrais significativas (até 6%) são esperadas devido à incompatibilidade atual entre a perovskita superior e a célula de silício inferior. Isso acontece porque as células superior e inferior operam em série em um tandem de 2 terminais e devem ter a mesma corrente. No entanto, o fundo de silício absorve apenas o lado vermelho do espectro, e o espectro local é muito rico em azul, fazendo com que a célula de perovskita superior possa ter uma corrente muito maior, mas é limitada pela célula de silício inferior.
Essas perdas podem ser compensadas em perovskita-silício em tandem bifacial sobre coberturas de solo de alto albedo. Quando uma célula tandem é feita bifacial, a corrente da célula inferior é aumentada com iluminação traseira, diminuindo a incompatibilidade de corrente, desbloqueando assim todo o potencial da célula de perovskita superior, que se beneficia da distribuição espectral local deslocada para o azul. Um valor de albedo de 50% é necessário para compensar a incompatibilidade de corrente da célula superior/inferior sob as condições atmosféricas brasileiras. Esses resultados mostram a importância das coberturas de solo de alta refletância na liberação de todo o potencial dos dispositivos fotovoltaicos de perovskita / silício.
Mapas de fatores espectrais (SF) anuais estimados para diferentes tecnologias fotovoltaicas em todo o Brasil: heterojunção de silício monocristalino tipo n interdigitado back contact (Si HBC); 2T perovskita/silício tandem (Tandem); telureto de cádmio de filme fino (CdTe) e perovskita de filme fino. Os pontos pretos indicam os locais das estações de medição usadas para extrair dados TMY. Interpolação e extrapolação foram aplicadas em regiões com poucos dados para fornecer uma representação espacial completa dos efeitos espectrais. Diferentes escalas de cores foram usadas em subparcelas para destacar as variações de efeitos espectrais dentro de cada tecnologia, que devem ser consideradas ao interpretar os mapas e comparar as tecnologias fotovoltaicas (Adaptado da tese de doutorado de Marilia Braga).
Imagem: ISES
Curvas espectrais de albedo medidas em condições de céu claro para oito tipos de superfície do solo (linhas sólidas, eixo vertical esquerdo) em Florianópolis, Brasil (27 ° S, 48 ° W). A resposta espectral (SR) relativa do lado traseiro de cinco tecnologias fotovoltaicas também é mostrada (linhas tracejadas, eixo vertical direito): Si PERC, Si IBC, CdTe, perovskita e tandem perovskita / silício de 2 terminais (adaptado da tese de doutorado de Marilia Braga).
Imagem: ISES
Incompatibilidade de corrente relativa entre as subcélulas de silício superior e inferior em um dispositivo tandem de dois terminais (2T) calculado com base em medições de irradiância espectral frontal e traseira capturadas sob várias condições de albedo em Florianópolis, Brasil (27 ° S, 48 ° W) (adaptado da tese de doutorado de Marilia Braga).
Imagem: ISES
Autores: Prof. Ricardo Rüther (UFSC), Prof. Andrew Blakers/ANU
A ISES, Sociedade Internacional de Energia Solar, é uma ONG credenciada pela ONU, fundada em 1954, que trabalha para um mundo com 100% de energia renovável para todos, usada de forma eficiente e sábia.
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