O Núcleo de Tecnologia em Energia Solar (NT-Solar), da Escola Politécnica da PUCRS iniciou as atividades em 1997, com o retorno dos professores Adriano Moehlecke e Izete Zanesco, que estavam realizando o doutorado na Universidade Politécnica de Madri. Desde então, foram executados 43 projetos de P&D coordenados pelos líderes do NT-Solar, Profa. Izete Zanesco e Prof. Adriano Moehlecke, com subvenção de órgãos governamentais e empresas do setor de energia. Uma atividade é a formação de recursos humanos em nível de graduação, especialização, mestrado, doutorado e pós-doutorado.
O Núcleo de Tecnologia em Energia Solar é o único centro de P&D na América Latina projetado para desenvolver e caracterizar células solares e módulos fotovoltaicos em escala piloto. Como principais resultados pode-se citar a célula solar com maior eficiência desenvolvida no Brasil, que rendeu ao Prof. Adriano o Prêmio Jovem Cientista em 2002; a planta piloto de células solares e módulos fotovoltaicos, que rendeu a indicação da Profa. Izete ao Prêmio Claudia em 2011 na Categoria Ciências; a célula solar com maior eficiência, de 17,3 %, desenvolvida no Brasil em 2017, bem como a solicitação de 8 patentes junto ao INPI (Instituto Nacional da Propriedade Industrial). Cabe ressaltar que em 1994, os professores Adriano Moehlecke e Izete Zanesco, durante o doutorado, desenvolveram a célula solar bifacial com maior eficiência no mundo.
A equipe do Núcleo de Tecnologia em Energia Solar desenvolve tecnologias industriais de fabricação de células solares em lâminas de silício crescido pelo método Czochralski (Si-Cz), tipo p e tipo n. Uma das linhas de atuação é o desenvolvimento de células solares bifaciais. Em Si-Cz, tipo p grau solar, foi obtida a eficiência de 16,9 %, com iluminação na face frontal e de 11,5 % na face posterior. No entanto, em substratos de Si-Cz tipo n, a eficiência foi de 15,6 % / 14,5 % (frontal/posterior). Em lâminas de Si-Cz, grau solar, finas, com espessura de 100 µm, a eficiência alcançada foi de 16,1 % / 14,4 %, quando iluminadas pela face frontal e posterior, respectivamente. O desenvolvimento de células solares finas é um grande desafio tecnológico, visando a redução do custo de produção.
Na linha de fabricação em escala piloto de células solares e módulos fotovoltaicos foram desenvolvidas células solares de 16 % de eficiência. Foram fabricados mais de 200 módulos fotovoltaicos, os quais foram instalados em sistemas fotovoltaicos para divulgação da tecnologia nas empresas que subvencionaram o projeto: Eletrosul, Grupo CEEE e Petrobrás. Além das três empresas, a FINEP (Financiadora de Estudos e Projetos) também subvencionou o projeto. Em processos industriais com emissor pouco profundo e campo retrodifusor de Al formado por serigrafia foram obtidas as eficiências de 15,9% e 16,3% em células solares processadas em lâminas de Si-Cz grau solar e Si-FZ, respectivamente. Este estudo foi subvencionado pela Eletrosul e Grupo CEEE. Neste trabalho, também se avaliou a passivação com dióxido de silício. Em lâminas de silício multicristalino tipo p foram desenvolvidas células solares industriais com metalização por serigrafia de 14,1 % de eficiência. Neste processo, a difusão de fósforo e de alumínio foi realizada no mesmo passo térmico, com o objetivo de reduzir o custo do processo de produção.
No âmbito do projeto de P&D subvencionado pelo Ministério de Minas e Energia foi desenvolvida uma tecnologia de fabricação de células solares com redução de etapas e, em escala piloto, foram fabricadas células solares e módulos fotovoltaicos, os quais foram utilizados no sistema fotovoltaico instalado na fachada do Museu de Ciências e Tecnologia da Universidade. Este sistema está sendo avaliado experimentalmente desde novembro de 2010.
O projeto na área de P&D em sistemas fotovoltaicos para o meio rural, área de estudo denominada de agrofotovoltaica, subvencionado por Itaipu Binacional e cooperativas de agronegócio em proteína animal do oeste do Paraná, tem por objetivo implementar e avaliar sistemas fotovoltaicos em propriedades rurais associadas das cooperativas bem como estudar uma proposta em nível nacional para a penetração de sistemas fotovoltaicos no agronegócio.
Em substrato de silício tipo n, grau solar, foram desenvolvidas células solares de 4 cm2 com emissor frontal formado pela difusão de boro com eficiência de 16,0 % e foram fabricados módulos fotovoltaicos com células solares de base n. Também foram desenvolvidos dispositivos com emissor posterior de boro e, com a passivação com nitreto de silício, foram fabricadas células com eficiência de 15,1 %. Nestes dispositivos, a difusão de boro não foi realizada pelo método convencional a partir de BBr3. A difusão de boro foi implementada pela deposição do líquido dopante com boro por spin-on e a difusão foi realizada em forno convencional. Estes projetos foram subvencionados pela FINEP. Com células solares base n com emissor posterior de boro foram fabricados 10 módulos fotovoltaicos em escala piloto.
A infraestrutura do Núcleo de Tecnologia em Energia Solar (NT-Solar) está instalada em uma área de 950 m² e é constituída por laboratórios, áreas de apoio, depósitos e salas para estagiários e bolsistas. O NT-Solar foi projetado para desenvolver, fabricar e caracterizar células solares e módulos fotovoltaicos bem como implementar e caracterizar sistemas fotovoltaicos.
O maior laboratório é o relativo à fabricação de células solares e módulos fotovoltaicos, com um total de 210 m² de salas limpas classe 10.000. O Laboratório de Células Solares está dividido nos seguintes laboratórios: difusão, química, fotolitografia, deposição de filmes e metais, corte, soldagem e laminação e mais uma circulação de 15 m2. O objetivo é desenvolver módulos fotovoltaicos completos. Este é o primeiro laboratório especialmente projetado para o desenvolvimento de células solares e módulos fotovoltaicos no Brasil e está localizado no andar térreo.
O objetivo do Laboratório de Corte é cortar lâminas de silício ou células solares a fim de definir tamanhos diferentes dos padrões convencionais ou marcar as células isolando regiões com diferentes dopagens. O sistema laser é Nd:YAG operando na harmônica fundamental no comprimento de onda de 1,064 m. O feixe laser pode produzir sulcos de até 20 µm de largura. Este sistema laser é também utilizado para formar a difusão/contato em pontos. Neste laboratório também está instalado o sistema de medição da concentração de dopantes em função da profundidade, modelo CVP21 (Electrochemical CV Profiler CVP21) fabricado pela Wolff fur Elektronik-und Programm-Entwicklungen (WEP). Será instalado neste Laboratório também um equipamento de CVD para a deposição de filmes AR.
O Laboratório de Difusão está equipado com fornos especialmente projetados para a realização de difusões de dopantes e oxidações em lâminas de silício, sendo mantidos elevados padrões de pureza no processamento. Há quatro fornos convencionais com capacidade para processar lâminas de até 125 mm de diâmetro, quatro fornos para lâminas de até 150 mm de diâmetro e um forno para processar lâminas de até 156 mm x 156 mm, desenvolvido pelos pesquisadores do NT-Solar. Estes são totalmente automatizados com controles de temperatura, vazão dos gases e velocidade de entrada/saída das lâminas nos fornos. Além dos fornos com aquecimento por resistências elétricas, também há um forno de processamento térmico rápido (RTP), onde o aquecimento das lâminas é obtido com lâmpadas de radiação infravermelha. Em todos os fornos há suprimento de gases com diferentes especificações de pureza. O sistema laser marca FOBA DP20F de potência 20 W é constituído de uma fibra óptica (Ytterbium Fiber) e opera no intervalo de comprimento de onda de 1060 nm a 1070 nm. Este equipamento também está instalado Laboratório de Difusão e é utilizado principalmente para a formação de contatos/difusão em pontos na face posterior das células solares. Para a manutenção e calibração dos controladores de vazão mássica dos fornos, o laboratório está equipado com um calibrador de vazão primário.
A definição de trilhas micrométricas para a metalização das lâminas de silício e, como consequência, a fabricação de células de alta eficiência, é realizada no Laboratório de Fotolitografia. Os equipamentos principais são uma alinhadora de fotomáscaras com capacidade para produzir linhas de até 1 µm de largura e um microscópio óptico com ocular de 10X e objetivas de até 250X, câmera digital de alta resolução (12 megapixels) e interface para a comunicação da câmera com o microscópio. Este laboratório está também equipado com duas capelas para processos químicos e um spinner para deposição de dopantes por spin-on e resina fotossensível. O equipamento WT-2000PV permite a obtenção de mapas do tempo de vida dos portadores minoritários e do comprimento de difusão pela técnica da reflexão de microondas (microwave induced photoconductivity decay, µ-PCD) ou fotovoltagem superficial (surface photovoltage, SPV). Além destas técnicas, o equipamento possui um dispositivo de medida de corrente de curto-circuito induzida por feixe de radiação monocromática (light beam induced current, LBIC) e refletância, possibilitando o cálculo da eficiência quântica externa e interna de células solares. O menor diâmetro dos feixes de radiação laser em todas as técnicas é de 100 µm.
No Laboratório de Laminação, tiras de células solares soldadas ou células individuais são laminadas com a utilização de materiais específicos para a fabricação de módulos fotovoltaicos ou também para o encapsulamento de amostras para teste. A laminação consiste em colocar as células em um sanduíche vidro/EVA/células/EVA/filme plástico posterior e este processo é realizado em um equipamento específico denominado laminadora que opera em temperaturas da ordem de 150-180 ºC.
No Laboratório de Metais e Filmes são depositados metais para difusão e formação da malha metálica bem como filmes antirreflexo. Estão instalados os seguintes equipamentos: – sistema de evaporação de filmes finos metálicos/dielétricos com canhão de elétrons e evaporação térmica, com capacidade de 4 lâminas de 4″ de diâmetro; – sistema de evaporação industrial de filmes finos metálicos/dielétricos com canhão de elétrons e evaporação térmica com capacidade de 18 lâminas de 4″ de diâmetro; – equipamento para impressão de malhas metálicas a partir de pastas serigráficas (screen printing) e – forno de esteira para secagem e queima de pastas de serigrafia depositadas em lâminas de silício.
No Laboratório de Óptica está instalado o espectrofotômetro UV-VIS-IR (190 nm a 3000 nm), para caracterização óptica das lâminas de silício processadas e das células solares. O espectrofotômetro possibilita medir a transmitância, a refletância hemisférica (esfera integradora) e a refletância especular sob diversos ângulos de incidência do feixe.
No Laboratório de Química são realizadas todas as limpezas e ataques químicos das lâminas de silício. O laboratório possui quatro capelas fabricadas em polipropileno, central de produção de água deionizada de alta pureza e distribuição desta para as capelas. A água de alta pureza é obtida por osmose reversa e com um sistema de deionização por troca iônica. As tubulações da água deionizada são de PVDF e a água é recirculada e esterilizada por iluminação ultravioleta a cada hora para evitar a formação de bactérias nos tubos. Também está instalado um equipamento de medida de tempo de vida dos portadores minoritários para caracterizar a qualidade das lâminas de silício após cada processo e um equipamento para medição da resistência de folha pela técnica de “quatro pontas”. Além destes, ainda há uma lavadora/secadora para lâminas de Si com duas câmaras de centrifugação.
A soldagem automatizada das células e a formação das tiras são realizadas no Laboratório de Soldagem. O equipamento automático possibilita soldar 300 células por hora em tiras de 9 a 12 dispositivos de diversos tamanhos. Este laboratório também está equipado com uma estação manual para soldagem de células solares.
Um dos objetivos do Laboratório de Caracterização é permitir a caracterização elétrica das células solares desenvolvidas, medindo as curvas da corrente elétrica em função da tensão aplicada, sob condições padrão internacionalmente estabelecidas, isto é, 1000 W/m² de irradiância incidente com espectro AM1,5G e temperatura da célula constante de 25 °C. É possível caracterizar células solares de até 156 mm x 156 mm. As células padrão de 4 cm2 e 61,58 cm2 foram calibradas no Instituto Fraunhofer para Sistemas de Energia Solar (Fraunhofer-Institut für Solare Energiesysteme), na Alemanha. Há dois equipamentos para medir as características corrente-tensão, sendo que um foi desenvolvido pelos pesquisadores do NT-Solar e outro foi adquirido da empresa PET-Photoemission. O laboratório também está equipado com o sistema de medição de resposta espectral de células solares, modelo PVE300, da empresa Bentham. O equipamento atende as normas IEC60904-8, ASTM1021-95 e JIS C 8915 e se pode medir células solares quadradas de até 156 mm de aresta. Neste laboratório também está instalado o elipsômetro, modelo GES5-E da empresa Semilab. O equipamento é utilizado para medir a espessura, o índice de refração e o coeficiente de extinção de um filme fino depositado em um substrato. É constituído de um goniômetro, fonte de tensão, lâmpada de xenônio de 75 W, sistema óptico de polarização de luz, espectrômetro e sistema de detecção. O equipamento trabalha em um intervalo de comprimento de onda de 185 nm a 2000 nm. A incerteza do equipamento é de ± 2% e a repetitividade é de ± 0,5 %. Também se encontra neste laboratório o espectrorradiômetro modelo Spectro 320 (D) R5 fabricado pela Instrument Systems GmbH. Este equipamento opera em comprimentos de onda na faixa de 190 nm a 3200 nm e é constituído pelo conjunto modelo UV-IR2 de redes de difração e detectores. O equipamento Corescan, da empresa SunLab, permite a obtenção de mapas de corrente de curto-circuito (LBIC), de resistência de contato, de resistência em paralelo (fugas) e de tensão de circuito aberto, permitindo a identificação de problemas tecnológicos distribuídos sobre a área das células solares.
No Laboratório de Módulos Fotovoltaicos são fabricados os módulos fotovoltaicos concentradores, as estruturas para a instalação externa dos dispositivos e realizadas atividades diversas para fabricação ou manutenção de equipamentos. Neste laboratório está instalada uma capela para extração de gases produzidos durante a confecção dos sistemas ópticos dos módulos concentradores e outros experimentos que exalam vapores.
Os laboratórios de medidas dividem-se em dois locais. No Laboratório de Medidas Internas localizam-se os dispositivos para medidas, controle e armazenamento dos dados coletados dos dispositivos que estão sendo caracterizados experimentalmente. Estes dispositivos (módulos convencionais, módulos concentradores, piranômetros, pireliômetro, radiômetro UV, sensores de temperatura, sistemas fotovoltaicos, etc.) estão instalados na área externa, isto é, no Laboratório de Medidas Externas. Um sistema de aquisição de dados automatizado está instalado no Lab. para caracterização experimental de módulos fotovoltaicos, radiação solar e temperatura ambiente e dos módulos fotovoltaicos.
No Laboratório de Simulação, com vários microcomputadores e ferramentas computacionais, podem-se simular células solares, processos de fabricação de células solares, sistemas ópticos dos concentradores bem como dimensionar e simular sistemas fotovoltaicos.
Laboratório de Certificação
O Laboratório de Certificação foi projetado para realizar os procedimentos de etiquetagem/certificação dos componentes de sistemas fotovoltaicos. O laboratório está equipado com dispositivos e equipamentos para a etiquetagem de módulos fotovoltaicos segundo as normas elaboradas pelo Grupo de Trabalho em Energia Solar Fotovoltaica (GT-FOT), coordenado pelo INMETRO. Também neste laboratório encontra-se uma mesa projetada para o teste de torção de módulos fotovoltaicos e o equipamento de medida do isolamento elétrico do módulo, marca Quad Tech, modelo Guardian 6000 Plus.
O Laboratório de Montagem foi projetado para a implementação das estruturas de alumínio e das caixas de conexão dos módulos fotovoltaicos convencionais. Está equipado para o corte e furação da estrutura de alumínio e para a colocação da estrutura no sanduíche vidro/EVA/células solares/EVA/Tedlar.
No Laboratório de Classificação está instalado o simulador solar, modelo PSS8 da empresa BERGER Lichttechnik GmbH & Co. KG para caracterização elétrica de módulos fotovoltaicos segundo as normas do INMETRO. O laboratório está equipado com um sistema de ar-condicionado para manter a temperatura estável internamente e desta forma é possível caracterizar módulos fotovoltaicos sob condições padrão internacionalmente estabelecidas, 1000 W/m², espectro AM1,5G e 25 °C. As características elétricas dos módulos sob condições padrão são medidas usando como referência um módulo fotovoltaico calibrado no Joint Research Centre, Institute for Environment and Sustainability, Renewable Energies Unit, European Solar Test Installation (ESTI). Neste laboratório também se encontra montada uma estrutura para o teste de resistência a carga mecânica de módulos fotovoltaicos. Cabe salientar que o NT-Solar é um dos laboratórios reconhecidos pelo INMETRO para realizar a etiquetagem em sistemas e equipamentos para energia fotovoltaica. O NT-Solar está equipado para todos os procedimentos de etiquetagem de controladores, inversores e baterias. Neste laboratório também está instalada a câmara para envelhecimento por radiação ultravioleta, marca QLab, que possui dois conjuntos de lâmpadas. As lâmpadas UVA possuem pico de irradiância no comprimento de onda de 350 nm e o outro conjunto UVB apresenta o pico em 313 nm. A câmara climática modelo EC/2,7/AR-URC, fabricada pela empresa Mecalor Soluções em Engenharia Térmica Ltda, instalada no Laboratório de Classificação opera no intervalo de temperaturas de – 10 °C até 85 °C, com incerteza de ± 1 °C, e umidade relativa controlada na faixa de 20 % a 95 %, com incerteza de ± 3%, para temperaturas entre 20 °C e 85 °C, limitado ao ponto de orvalho de 10 °C. As dimensões internas da câmara são de 2.260 mm x 1.700 mm x 950 mm e a potência total do equipamento é de 33 kW. A câmara climática possui condensação realizada por intermédio do resfriamento do fluído R404-A provocado pela circulação de água provida por um sistema de resfriamento em circuito fechado, denominado Dry Cooler, instalado na área externa do prédio.
Sala de Limpeza de Quartzo
O Laboratório de Quartzo é usado para a lavagem de tubos de quartzo para fornos de difusão/oxidação e de vidros para a fabricação de módulos fotovoltaicos. Para a execução destas tarefas foi instalado um sistema de produção de água deionizada, reservatórios para a lavagem e enxágue além de um sistema de extração de ar.
Depósito de Módulos
O Depósito de Módulos visa estocar vidros para confecção de módulos fotovoltaicos, materiais de quartzo para os fornos de difusão/oxidação e também módulos fotovoltaicos completos. Para o transporte de vidros ou módulos completos formam fabricados carrinhos especiais que se localizam neste ambiente.
Depósito de Baterias
As baterias e outros materiais são guardados no Depósito de Baterias. Neste depósito há um sistema forçado de extração de ar.
Depósito de Materiais
No Depósito de Materiais são guardados itens de consumo como o Tedlar, EVA, lâminas de silício, cestos de transporte para lâminas entre outros materiais. Este ambiente está equipado com um sistema de ar-condicionado que mantém a temperatura constante em tempo integral.
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