Apesar da promessa de boa eficiência de conversão e custos relativamente baixos, a tecnologia fotovoltaica de cobre-índio-gálio deseleneto (CIGS) nunca conseguiu competir com o silício cristalino e permaneceu amplamente restrita ao nicho de fotovoltaicos integrados à edificações (BIPV).
Processos laboratoriais de alta eficiência para CIGS até agora não conseguiram escalar economicamente para a fabricação industrial de alta produção. Por exemplo, os recordes de células CIGS são alcançados sob condições de crescimento altamente otimizadas, com janelas composicionais e térmicas estreitas. Essa precisão é gerenciável em amostras laboratoriais pequenas, mas torna-se cada vez mais difícil em áreas grandes, onde manter estequiometria uniforme, pureza de fase e controle de defeitos requer infraestrutura complexa de vácuo e monitoramento cuidadoso em linha. Pequenos desvios levam a fases secundárias e defeitos ativos de recombinação, afetando diretamente o rendimento.
Segundo a especialista do CIGS Mirjana Dimitrievska disse à pv magazine, as principais limitações são a complexidade e a escala da fabricação. O CIGS requer controle multicomponente de, In, Ga e Se, frequentemente sob condições de alto vácuo, o que aumenta o investimento de capital e a sensibilidade ao processo. Perdas de rendimento devido a derivações, não uniformidade e defeitos de interface aumentam o custo efetivo por watt.
“Paralelamente, o silício cristalino alcançou economias de escala massivas e reduções dramáticas de custos na última década”, ela continuou. “Esse parâmetro em constante mudança reduziu a janela em que o CIGS poderia estabelecer uma vantagem de custo. Sem eficiências muito altas nos módulos e fabricação estável e de alta produtividade, igualar a estrutura de custos do silício continua sendo desafiador.”
Outro grande desafio no desenvolvimento do CIGS é a dificuldade de substituir camadas tampão de sulfeto de cádmio (CdS) por alternativas livres de cádmio, o que afeta a conformidade ambiental e a viabilidade comercial.
“O CdS desempenha um papel multifuncional nos dispositivos CIGS”, disse Dimitrievska. “Além de formar a junção, ele passiva a superfície do absorvedor e proporciona alinhamento favorável da banda que suporta alta tensão em circuito aberto e fator de preenchimento. Substituir o CdS por alternativas sem cádmio, como oxissulfeto de zinco (Zn(O,S)), óxido de zinco magnésio (ZnMgO) ou sulfeto de índio (In2S3) é tecnicamente viável, mas essas camadas frequentemente introduzem tolerâncias de alinhamento de bandas mais apertadas e maior sensibilidade às condições de processamento.”
“Embora a remoção do cádmio melhore o perfil ambiental e a percepção regulatória, qualquer instabilidade ou perda de eficiência na interface impacta diretamente a bancabilidade”, acrescentou. “A ausência de um substituto de entrada imediata universalmente robusto, portanto, desacelerou a transição industrial completa, apesar da clara motivação ambiental.”
Outro problema técnico considerável é que a densidade de defeitos aumenta significativamente ao transitar de pequenas células de laboratório para módulos de tamanho completo. “Escalar para dimensões de módulo aumenta a probabilidade de flutuações composicionais locais, variações de espessura e gradientes de temperatura durante o crescimento. Áreas maiores também exigem interconexão monolítica por meio de gravação, que introduz arestas adicionais, interfaces e possíveis caminhos de derivação. Esses fatores aumentam estatisticamente a densidade e a falta de uniformidade de defeitos”, disse Dimitrievska.
“Maior densidade de defeitos potencializa a recombinação não radiativa e pode criar vias de vazamento, reduzindo a tensão de circuito aberto e o fator de preenchimento. Perdas resistivas adicionais causadas por óxidos condutores transparentes e interconexões ampliam ainda mais a diferença de eficiência entre célula e módulo”, afirmou ela.
A sensibilidade do CIGS à entrada de umidade e migração de álcalis também complica a confiabilidade do módulo a longo prazo em comparação com o silício cristalino. De fato, se os absorvedores CIGS se beneficiarem da incorporação controlada de álcalis, tipicamente sódio, para alcançar alta eficiência, espécies móveis e estados de defeito metastável podem evoluir sob viés, iluminação ou umidade, afetando as propriedades da junção. A entrada de umidade, especialmente em bordas ou regiões mal vedadas, pode acelerar a degradação da interface.
“Módulos de silício cristalino são amplamente limitados por mecanismos de degradação relacionados à embalagem, enquanto a confiabilidade do CIGS também depende da manutenção estável da química dos absorventes e interfaces”, disse o especialista do CIGS. “Quando encapsulamento e controle de processo são otimizados, a estabilidade de longo prazo é alcançável, mas a margem de variação no processamento é menor.”
Segundo Dimitrievska, o CIGS é particularmente adequado para aplicações onde leveza, flexibilidade ou integração estética oferecem valor agregado. Esses incluem fotovoltaicos integrados em edifícios, elementos curvos ou de fachada, instalações leves em telhados com restrições de carga, superfícies relacionadas ao transporte, sistemas de energia portáteis e certas aplicações aeroespaciais ou de alta altitude.
“Nesses mercados, o desempenho por peso ou por área de superfície disponível pode superar o custo absoluto por watt. Em vez de competir diretamente com silício comum em grandes instalações em escala utilitária, as startups da CIGS podem mirar segmentos diferenciados onde seu formato e propriedades ajustáveis oferecem vantagens em nível de sistema”, disse ela.
De acordo com os dados mais recentes, o recorde mundial para um módulo CIGS está na faixa de 20%, o que coloca essa tecnologia próxima das concorrentes tecnologias de filme fino e se aproxima do nível inferior dos módulos de silício cristalino convencionais.
“No entanto, a eficiência absoluta é apenas uma parte da equação comercial”, disse o pesquisador. “Para a ampla concorrência do mercado de commodities, aproximar-se dos altos 10% para 20% em módulos de área completa com alto rendimento consistente é benéfico porque melhora a produção de energia por área e ajuda a reduzir os custos do equilíbrio do sistema. Durabilidade, estabilidade a longo prazo, qualidade do encapsulamento, resistência ao estresse ambiental e desempenho previsível em campo são igualmente críticos. Um módulo que é marginalmente maior em eficiência, mas sofre degradação significativa no início da vida, sensibilidade à umidade ou comportamento imprevisível ao ar livre, não será competitivo comercialmente.”
Em mercados especializados, como aplicações leves ou flexíveis, fotovoltaicos integrados em edifícios, superfícies curvas ou energia portátil, eficiências ligeiramente menores podem ser aceitáveis se o produto entregar valores únicos, como menor W/kg, conformidade, integração estética e demonstrar desempenho confiável a longo prazo. Nesses casos, métricas de valor do sistema como energia entregue ao longo da vida útil por custo instalado e confiabilidade em ambientes desafiadores podem superar os números de eficiência máxima.
Outro fator crítico que afeta a tecnologia CIGS é que ela é mais suscetível a problemas na cadeia de suprimentos de materiais de terras raras. “A CIGS não depende de elementos de terras raras”, disse Dimitrievska. “No entanto, depende do índio e do gálio, que são metais subprodutos obtidos principalmente pelo processamento de zinco e bauxita. Seu fornecimento, portanto, está ligado a atividades de mineração mais amplas e pode ser sensível a flutuações geopolíticas e de mercado.”
“Para escalas de implantação muito grandes, a disponibilidade e a volatilidade do preço desses elementos críticos podem se tornar fatores limitantes”, ela continuou. “Para mercados de nicho ou de escala moderada, as cadeias de suprimentos atuais são geralmente gerenciáveis, mas a expansão de longo prazo em escala de terawatts exigiria planejamento cuidadoso de recursos e estratégias de reciclagem.”
Dimitrevska e um grupo de seus colegas do Swiss Federal Laboratories for Materials Science and Technology (Empa) investigaram recentemente como o CIGS poderia ser combinado de forma ideal com tecnologias solares de perovskita em células e módulos tandem.
Os cientistas argumentam que a comunidade de pesquisa deve ir além da busca por ganhos incrementais de eficiência e priorizar a resiliência, estabilidade e sustentabilidade dos materiais fotovoltaicos. Eles também enfatizam a necessidade de estudos de campo de longo prazo para avaliar o desempenho no mundo real.
“O silício não é o melhor semicondutor para células solares”, apontou Dimitrievska. “No entanto, essa tecnologia está em desenvolvimento há mais de 70 anos e já foi amplamente otimizada graças a pesquisas e investimentos contínuos. Se pesquisa e indústria trabalharem juntas, o mesmo pode ser alcançado para a perovskita e o CIGS.”
Os resultados da pesquisa foram apresentados em “Lessons from copper indium gallium sulfo-selenide solar cells for progressing perovskite photovoltaics“, publicado em nature energy.
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