Semi-transparent Cu(In,Ga)Se2 Solar Cells for agricultural-integrated photovoltaics applications

Abstract

As células solares fotovoltaicas (PV SC) são uma tecnologia fundamental para alcançar um futuro mais sustentável, aproveitando a energia renovável que é o sol. Desde a primeira observação do efeito fotovoltaico (PV) em 1839, a energia solar passou a ser amplamente utilizada, principalmente por meio de painéis à base de silício instalados em residências, quintas solares e aplicações em larga escala. No entanto, ainda existe uma lacuna significativa na integração da tecnologia PV em aplicações agrícolas, onde os efeitos da sombra e os altos custos iniciais representam grandes desafios. As células solares semi-transparentes de Cu(In,Ga)Se₂ (CIGS) oferecem uma solução promissora para sistemas agrivoltaicos (APV), pois permitem que uma fração da luz solar atinja as plantas, enquanto convertem o resto em eletricidade. Como uma tecnologia de filme fino, o CIGS requer 99% menos material do que os PVs convencionais de silício, tornando-se uma alternativa atraente para o duplo uso do solo. Esta tese tem como objetivo desenvolver células solares de filme fino com microestruturas à base de CIGS, demonstrando seu potencial para mitigar os problemas da sombra associados aos painéis de silício tradicionais. Além disso, compara tecnologias fotovoltaicas existentes e emergentes para avaliar as suas vantagens e limitações na integração na agricultura. O método proposto envolve a fabricação de células solares segmentadas espacialmente por meio de fotolitografia, alcançando a semi-transparência através da implementação de linhas finas de CIGS. O processo começa com a deposição de molibdênio num substrato de vidro de soda-lime, seguido pela deposição da camada absorvedora utilizando um processo de duas etapas: pulverização catódica (sputtering) de Cu-In-Ga e selenização via deposição química de vapor (CVD). Utilizando fotolitografia com lift-off, obtém-se o micro padrão desejado, seguido pela deposição de uma camada de buffer (via deposição química em banho) e de uma camada final (window) (via pulverização catódica por magnetrão). Embora a fabricação de um dispositivo totalmente funcional não tenha sido alcançada, o estudo analisa detalhadamente os desafios enfrentados, identificando possíveis causas de falha e melhorias para futuras tentativas. Os resultados fornecem informações valiosas sobre a viabilidade das células solares semi-transparentes de CIGS para aplicações agrivoltaicas e o seu potencial impacto na sustentabilidade agrícola e na geração de energia. Resultados preliminares indicam que os micro designs de STPV conseguem equilibrar com sucesso a conversão de energia solar e a transmissão de luz, permitindo que uma quantidade suficiente de radiação fotossintética ativa (PAR) atinja as plantas, mantendo ao mesmo tempo uma geração de energia eficiente. Estreforçam o potencial das células solares semi-transparentes de CIGS como uma solução viável para sistemas sustentáveis de produção de alimentos e energia.

Photovoltaic solar cells (PV SC) are a critical technology for achieving a more sustainable future by harnessing renewable energy from the sun. Since the first observation of the photovoltaic (PV) effect in 1839, solar energy has become widely used, primarily through silicon-based panels deployed in homes, solar farms, and large-scale applications. However, there remains a significant gap in integrating PV technology into agricultural applications, where shading effects and high upfront costs pose major challenges. Semi-transparent Cu(In,Ga)Se₂ (CIGS) solar cells offer a promising solution for agrivoltaics (APV), as they allow a fraction of sunlight to reach crops while converting the remaining portion into electricity. As a thin-film technology, CIGS requires 99% less material than conventional silicon PVs, making it an attractive alternative for dual land use. This thesis aims to develop micro-structured thin-film solar cells based on CIGS, demonstrating their potential to mitigate shading issues associated with traditional silicon panels. Additionally, it compares existing and emerging PV technologies to assess their advantages and limitations in agricultural integration. The proposed method involves fabricating spatially segmented solar cells through photolithography, achieving semi-transparency by structuring narrow CIGS lines. The process begins with the deposition of molybdenum on a soda-lime glass substrate, followed by the absorber layer formation using a two-step process: Cu-In-Ga sputtering and selenization via chemical vapor deposition (CVD). Using lift-off photolithography, the desired micro-pattern is obtained, followed by the deposition of a buffer layer (via chemical bath deposition) and a window layer (via magnetron sputtering). Although the fabrication of a fully functional device was not achieved, the study thoroughly analyzes the challenges encountered, identifying potential causes of failure and improvements for future iterations. The findings provide valuable insights into the feasibility of semi-transparent CIGS solar cells for agrivoltaics and their potential impact on agricultural sustainability and energy production. Preliminary results indicate that structured STPV designs successfully balance solar energy conversion and light transmission, allowing sufficient photosynthetically active radiation (PAR) to reach crops while maintaining efficient power generation. These findings reinforce the potential of semi-transparent CIGS solar cells as a viable solution for sustainable food-energy systems.