Laboratório de Pesquisas Fotovoltaicas da Unicamp – células solares de silício com tecnologia 100% brasileira.

O Laboratório de Pesquisas Fotovoltaicas (LPF) do Instituto de Física da UNICAMP foi fundado no início da década de 1980. Desde então, tem feito importantes contribuições ao desenvolvimento de dispositivos fotovoltaicos – aqueles que transformam energia luminosa em energia elétrica, como os painéis solares. Entre os resultados dessa linha de pesquisa, destacam-se os seguintes:

Laboratório de fabricação de células solares de silício.

Laboratório de fabricação de células solares de silício.

– Células solares de silício monocristalino com eficiência de até 16%.

– Células solares de silício policristalino de 13% de eficiência.

– As primeiras células solares de silício amorfo da América Latina com eficiência de 7%.

– Células com estrutura semicondutor-isolante-semicondutor de 13 % de eficiência.

– Células solares de 13 % de eficiência, fabricadas a partir do silício metalúrgico nacional, em cooperação com a Faculdade de Engenharia Mecânica da Unicamp (professor Paulo Mei) com colaboração da empresa brasileira RIMA S.A.

– Células solares de corante (Gratzel) de 7,5% de eficiência, desenvolvidas em colaboração com o Instituto de Química da Unicamp.

O aperfeiçoamento das células solares, na busca por melhor eficiência, menor preço, menor tamanho e maior segurança ambiental, passa pela pesquisa de novos materiais fotovoltaicos e novos revestimentos antirrefletores, entre outros temas. O grupo age nesse tipo de investigação e estuda propriedades optoeletrônicas, estruturais e termomecânicas desses novos materiais para aplicação nas células solares e também em outros dispositivos eletrônicos.

Sistema de Deposição por Camada Atômica (ALD - Atomic Layer Deposition).

Sistema de Deposição por Camada Atômica (ALD – Atomic Layer Deposition).

Atualmente, o laboratório está trabalhando no desenvolvimento de nanopartículas metálicas para aplicação do efeito plasmônico (excitação coletiva de elétrons) em células solares. A ideia é utilizar as nanopartículas em células solares e verificar se o efeito plasmônico se manifesta aumentando a eficiência quântica na região do infravermelho. Para o desenvolvimento das nanopartículas, estão sendo utilizadas as técnicas de sputtering e ablação a laser. A caracterização das nanopartículas é realizada com AFM, SEM, Raman e raios-X.

Laboratório de desenvolvimento de filmes finos. Na frente, o FCVA para desenvolvimento de DLC. No fundo, sistema PECVD.

Laboratório de desenvolvimento de filmes finos. Na frente, o FCVA para desenvolvimento de DLC. No fundo, sistema PECVD.

O grupo também está investindo no desenvolvimento e estudo de filmes ultrafinos (de poucos átomos de espessura), depositados pela técnica ALD (atomic layer deposition), que está em fase de implantação no laboratório e que será utilizada no recobrimento das nanopartículas plasmônicas e em outros trabalhos.

Outra linha importante do grupo é o desenvolvimento de materiais duros para revestimentos com propriedades mecânicas e tribológicas otimizadas para aplicações da indústria metal-mecânica. Para isso, o grupo utiliza várias técnicas de preparação de materiais como RF Sputtering, PECVD (plasma enhanced chemical vapor deposition); FCVA (filtered cathodic vacuum arc), electron-beam; spray químico, IBAD (ion beam assisted deposition).

Sistema DIBAD (Dual Ion Beam Assisted Deposition). As duas fontes de íons são canhões do tipo Kaufman.

Sistema DIBAD (Dual Ion Beam Assisted Deposition).

Além de suas atividades de pesquisa acadêmica, algumas delas, desenvolvidas em cooperação com a indústria, este grupo já gerou uma empresa spinoff, a Plasma-LIITS, também associada ao Instituto Nacional de Engenharia de Superfícies. A empresa atua no mercado desde 2004 no desenvolvimento, fabricação e comercialização de instrumentos científicos, equipamentos e processos para tratamentos de superfície por plasma.

 

Minientrevista com o coordenador da equipe do LPF no Instituto Nacional de Engenharia de Superfícies, professor Francisco das Chagas Marques.

IMG-20140818-WA0008Professor associado do Instituto de Física Gleb Wataghin, na Universidade Estadual de Campinas (UNICAMP), Francisco das Chagas Marques é bacharel em Física pela Universidade Federal do Ceará (1981), e mestre (1984) e doutor (1989) em Física pela UNICAMP. Fez pós-doutorado na Harvard University e na University of Utah, nos Estados Unidos, e naCommonwealth Scientific and Industrial Research Organisation, na Austrália. É autor de cerca de 90 artigos científicos publicados em revistas internacionais arbitradas e de uma patente concedida, pela qual lhe foi outorgado o Prêmio Inventores Unicamp 2014.

1. Quais foram, na sua avaliação, as principais ações realizadas e/ou resultados conseguidos e/ou colaborações desenvolvidas por seu grupo no contexto do nosso INCT?

Durante o período de atividade do Instituto Nacional de Engenharia de Superfícies realizamos diversos estudos.  Entre eles, podemos destacar:

– Desenvolvimento de carbono tipo diamante de alta dureza pela técnica FCVA (filtered cathodic vacuum arc).

– Purificação do silício metalúrgico nacional de 98-99% para 99.9993% e fabricação de células solares de 13 % de eficiência. Este resultado representa a primeira vez em que células solares de silício são fabricadas com alta eficiência com tecnologia 100% brasileira, desde o quartzo, passando pela transformação em silício metalúrgico, seguido de purificação do silício, fabricação de lâminas e, finalmente, das células solares. Este trabalho foi realizado em cooperação com a Faculdade de Engenharia Mecânica da Unicamp (professor Paulo Mei) e contou com a colaboração da empresa nacional Rima S.A.

2. Escolha os melhores artigos científicos publicados por seu grupo no contexto do Instituto (uns 3 artigos, aproximadamente).

  1. S. da Silva, A. D. S. Côrtes, M. H. Oliveira Jr., E. F. Motta, G. A. Viana, P. R. Mei and F. C. Marques. “Application of amorphous carbon based materials as antireflective coatings on crystalline silicon solar cells”. J. Appl. Physics, 110(4), 043510-043510-8 (2011). DOI: 10.1063/1.3622515.
  2. F.C. Marques, G.A. Viana, E.F. Motta, D.S. Silva, D. Wisnivesky, A.D.S. Côrtes, and M.R. Aguiar. “Argon Implantation in Tetrahedral Amorphous Carbon Deposited by Filtered Cathodic Vacuum Arc”. Journal of Materials Engineering and Performance, 22(5) 1396-1404 (2012). DOI: 10.1007/s11665-012-0401-2
  3. Droppa, Jr., H.C. Pinto, J. Garcia, E.A. Ochoa, M. Morales, S. Cucattti , F. Alvarez. “Influence of ion-beam bombardment on the physical properties of 100Cr6 steel”. Materials Chemistry and Physics, v. 34, p. 1-8 (2014). DOI: 10.1016/j.matchemphys.2014.04.016.
  4. A.D. S. Côrtes, D. S. Silva, G. A. Viana, E. F. Motta, P. R. Zampieri, P. R. Mei and F. C. Marques. “Solar cells from upgraded metallurgical-grade silicon purified by metallurgical routes”. Journal of Renewable and Sustainable Energy, 5, 023129  (2013) (9 pages). http://link.aip.org/link/doi/ 10.1063/1.4800200

3. Comente os pontos positivos de ser um participante do nosso Instituto.

O trabalho em rede tem vários pontos positivos. Em nosso projeto Instituto Nacional de Engenharia de Superfícies destaco a organização de eventos científicos, que têm sido realizados em simpósios nos encontros da SBPMat. Outra função importante do Instituto tem sido a distribuição de bolsas dentro do projeto a partir de uma cota geral da equipe como um todo onde é considerado o mérito das solicitações. Destaco também as parcerias que são desenvolvidas entre os laboratórios e os mecanismos de divulgação dos trabalhos do INCT realizado no Boletim Engenharia de Superfícies, que dá visibilidade aos nossos trabalhos não apenas no meio acadêmico, mas também para a sociedade.

 

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