Glauco Duarte Diniz – celula fotovoltaica como funciona
Células fotovoltaicas são dispositivos capazes de transformar a energia luminosa, proveniente do Sol, em energia elétrica. Uma célula fotovoltaica pode funcionar como uma fonte geradora de energia elétrica a partir da irradiação, quanto maior a intensidade da luz solar, maior o fluxo da eletricidade.
As células fotovoltaicas são feitas de silício, material semicondutor sendo o segundo elemento mais abundante da terra, não tendo limites com relação a matéria prima para produção das células solares. Por serem sólios e terem uma boa estrutura atômica cristalina de condutividade elétrica intermediária, os materiais semicondutores são os mais adequados para este tipo de uso, cerca de 95% de todas células solares do mundo são de silício, elemento bastante abundante na terra.
Por não gerarem também nenhum tipo de resíduo, a célula fotovoltaica solar é considerada uma forma de produção de energia limpa, sendo alvo de estudos em diversos institutos de pesquisa no mundo. A intensidade da radiação solar (irradiância) na superfície terrestre chega até 1.000 watts por metro quadrado, o que representa um enorme potencial energético.
Atualmente, as células fotovoltaicas apresentam eficiência de conversão da ordem de 16%. Existem células fotovoltaicas com eficiências até 28%, fabricadas de arsenieto de gálio, mas o seu alto custo limita a produção dessas células solares para o uso da indústria espacial.
A primeira geração de células fotovoltaicas foi constituída por células de silício cristalino. As células consistem de uma lâmina de silício na qual é formada uma junção p-n (díodo de junção), capaz de gerar energia elétrica utilizável a partir de fontes de luz com os comprimentos de onda da luz solar. A primeira geração de células constitui a tecnologia dominante em termos de produção comercial, representando mais de 80% do mercado mundial.
A segunda geração de materiais fotovoltaicos está baseada no uso de filmes finos de semicondutores. A vantagem de utilizar estes filmes é a de reduzir a quantidade de materiais necessárias para as produzir, bem como de custos. Atualmente (2006), existem diferentes tecnologias e materiais semicondutores em investigação ou em produção de massa, como o silício amorfo, silício policristalino ou microcristalino, telureto de cádmio e Cobre-Índio-Gálio-Selênio (“CIGS”). Tipicamente, as eficiências das células solares de filme fino são baixas quando comparadas com as células tradicionais de silício cristalino, mas os custos de fabrico são também mais baixos, pelo que se pode atingir um preço de instalação mais reduzido por watt.
Outra vantagem da reduzida massa é o menor suporte necessário quando se colocam os painéis nos telhados e permite arrumá-los e dispô-los em materiais flexíveis, como os têxteis, plásticos ou integração direta nos edifícios. Foi a partir de 1930, que se começou a produzir eletricidade através da energia solar, no princípio com células de oxido de cobre e posteriormente de selénio. Mas foi só em 1954, com a execução das primeiras células fotovoltaicas de silício, nos laboratórios Bell e RCA que se começa a prever o fornecimento de energia. A utilização destas células em veículos espaciais permitiu um rápido avanço e progresso. Na década de 80, houve um desenvolvimento constante da tecnologia fotovoltaica a partir do surgimento de várias centrais de alguns megawatts.
Esta tecnologia tornou-se familiar à maior parte da população através de alguns produtos de baixa potência como por exemplo: calculadoras, relógios, iluminações de jardim, instalações meteorológicas, bombas de água e frigoríficos solares. Na atualidade, 90% da produção total de módulos é feita no Japão, nos EUA e na Europa, principalmente através das grandes companhias como a Siemens, Sanyo, Kyocera, Solarex e BP Solar, que detêm 50% do mercado mundial. Os restantes 10% da produção vêm do Brasil, Índia e China, que são os principais produtores de módulos fotovoltaicos, no seio dos países em vias de desenvolvimento
O efeito fotoelétrico é a emissão de elétrons por um material, geralmente metálico, quando exposto à radiação eletromagnética de frequência alta o suficiente (e que varia para cada material) para que os seus fótons energizem os elétrons do material. A conversão da energia solar em energia elétrica é realizada através do efeito fotovoltaico observado por Edmond Becquerel em 1839 usando o primeiro componente eletrônico da história. Foi observado uma diferença de potencial nas extremidades de uma estrutura semicondutora, quando incidia uma luz sobre ela. Devido á similaridade, foi confundido com o efeito fotoelétrico.
No início da história da energia solar, quando foi descoberta e por longas décadas, a energia solar foi vista como uma tecnologia futurista, cujo uso se restringiria exclusivamente aos cientistas e suas pesquisas. Por possuir um alto custo inicial, acreditava-se que a energia proveniente dos raios solares não chegaria a ser utilizada de maneira geral. Em 1905, Albert Einstein descreveu a natureza da luz e o efeito fotoelétrico no qual a tecnologia fotovoltaica é baseada, pelo qual mais tarde não só fizeram Albert Einstein ganhar seu primeiro Prêmio Nobel, no ano de 1923, como também foram responsáveis pela concretização da energia solar como uma maneira real de produzir energia limpa. Certamente uma passagem muito importante na história da energia solar.
O efeito fotovoltaico
Para entendermos como funciona o efeito fotovoltaico, devemos conhecer o modelo atômico que demonstra o comportamento das partículas que compõem um átomo.
Simplificando é necessário saber que o efeito fotovoltaico acontece por meio da conversão direta da irradiação solar em energia elétrica, o Material mais comumente usado é o silício. O silício apresenta-se normalmente como areia e, é um material semicondutor. Através de métodos adequados obtém-se o silício em forma pura. O cristal de silício puro não possui electrões livres e, portanto é um mau condutor eléctrico. Para alterar isto acrescentam-se porcentagens de outros elementos. Este processo denomina-se dopagem. Mediante a dopagem do silício com o fósforo obtém-se um material com electrões livres ou material com portadores de carga negativa (silício tipo N).
Realizando o mesmo processo, mas acrescentando Boro ao invés de fósforo, obtêm-se um material com características inversas, ou seja, défice de electrões ou material com cargas positivas livres (silício tipo P). Cada célula solar compõe-se de uma camada fina de material tipo N e outra com maior espessura de material tipo P. Separadamente, ambas as capas são eletricamente neutras. Mas ao serem unidas, exatamente na união P-N, gera-se um campo eléctrico devido aos electrões do silício tipo N que ocupam os vazios da estrutura do silício tipo P.
Ao incidir a luz sobre a célula fotovoltaica, os fotões que a integram chocam-se com os electrões da estrutura do silício dando-lhes energia e transformando-os em condutores. Devido ao campo eléctrico gerado na união P-N, os electrões são orientados e fluem da camada “P” para a camada “N”. Por meio de um condutor externo, liga-se a camada negativa à positiva. Gera-se assim um fluxo de electrões (corrente eléctrica) na conexão. Enquanto a luz continua a incidir na célula, o fluxo de electrões manter-se-á. A intensidade da corrente gerada variará proporcionalmente conforme a intensidade da luz incidente.
Cada módulo fotovoltaico é formado por uma determinada quantidade de células conectadas em série. Ao unir-se a camada negativa de uma célula com a positiva da seguinte, os electrões fluem através dos condutores de uma célula para a outra. Este fluxo repete-se até chegar à última célula do módulo, da qual fluem para o acumulador ou a bateria. Cada electrão que abandona o módulo é substituído por outro que regressa do acumulador ou da bateria. O cabo da interconexão entre módulo e bateria contém o fluxo, de modo que quando um electrão abandona a última célula do módulo e encaminha-se para a bateria outro electrão entra na primeira célula a partir da bateria. É por isso que se considera inesgotável um dispositivo fotovoltaico. Produz energia eléctrica em resposta à energia luminosa que entra no mesmo.
Dopagem
Nesse processo, são utilizados dopantes com objetivo de se criar um meio adequado ao estabelecimento do efeito fotovoltaico. A dopagem do silício com o fósforo obtém-se um material com elétrons livres ou materiais com portadores de carga negativa (silício tipo N). Realizando o mesmo processo, mas agora acrescentando Boro ao invés de fósforo, obtém-se um material com caracteristícas inversas, ou seja, falta de elétrons ou material com cargas positivas livres (silício tipo P). Cada célula solar compõe-se de camada fina de material tipo N e outra com maior espessura de material tipo P.
Separadamente, ambas as capas são eletricamente neutros. Mas ao serem unidas, na região P-N, forma-se um campo elétrico devido aos elétrons livres do silício tipo N que ocupam os vazios da estrutura do silício tipo P. Ao incidir luz sobre a célula fotovoltaica, s fótons chocam-se com outros elétrons da estrutura do silício fornecendo-lhes energia e transformandos em condutores. Devido ao campo elétrico gerado pela junção P-N, os elétrons são orientados e fluem da camada ”P” para a camada ”N”.
Por meio de um condutor externo, ligando a camada negativa à positiva, gera-se um fluxo de elétrons (corrente elétrica). Enquanto a irradiação solar incidir na célula, manter-se-á este fluxo. A intensidade da corrente elétrica gerada virará na mesma proporção conforme a intensidade da luz incidente. Uma célula fotovoltaica não armazena energia elétrica. Apenas mantém um fluxo de elétrons estabelecidos num circuito elétrico enquanto houver incidência de luz sobre ela. Este fenômeno é denominado ”Efeito fotovoltaico”.
Estrutura de uma célula fotovoltaica
Ao contrário da maioria dos outros semicondutores, o dispositivo fotovoltaico não usa a estrutura normal de silício, como nos diodos, ao invés disso usa uma fina camada de óxido transparente. Estes óxidos são altamente transparentes e tem alta condutividade elétrica. Chamadas de ”antireflexo” podem ser usadas para cobrir uma célula fotovoltaica. Os cristais policristalino são grãos minúsculos de material semicondutor. As propriedades dos filmes poliscristalinos são diferentes do silício normal. Ele provou ser o melhor para criar um campo elétrico entre dois materiais semicondutores diferentes.
A parte mais importante de um módulo fotovoltaico é o conjunto de células que são responsáveis pela transformação da radiação solar em energia elétrica. O resto dos elementos que fazem parte de um painel solar têm a função de proteger e dar firmeza e funcionalidade ao conjunto. As células fotovoltaicas são encapsuladas com vidro reforçado e várias camadas de material plástico. Posteriormente, todo este conjunto é reforçado formando uma estrutura exterior com perfis de metal em alumínio.
Os painéis solares fotovoltaicos que são usados atualmente são formados com a seguinte estrutura:
Capa frontal
Camadas encapsuladas
Estrutura de suporte
Proteção subsequente
Caixa de conexão elétrica
Células fotovoltaicas
Tampa frontal
A capa frontal do painel fotovoltaico tem uma função principalmente protetora, uma vez que sofre a ação de agentes atmosféricos. O vidro temperado com baixo teor de ferro é usado, pois possui uma boa proteção contra impactos e é um transmissor muito bom de radiação solar.
Embora a presença da cobertura seja necessária para proteger as células fotovoltaica dependendo da qualidade do vidro de proteção, pode diminuir a energia do painel solar.
Camadas encapsuladas
As camadas de encapsulações são responsáveis por proteger as células solares e seus contatos. Os materiais utilizados (etil-vinil-acetileno ou EVA) proporcionam excelente transmissão à radiação solar, além de zero degradação contra a radiação ultravioleta. O EVA é um copolímero termoplástico de etileno e acetato de vinilo, que atua como um isolador térmico e transparente para permitir que os raios solares passem para as células fotovoltaicas. Fornece coesão ao painel como um todo, preenchendo o volume existente entre as capas dianteira e traseira, amortecendo as vibrações e os impactos que podem ocorrer.
Os problemas mais importantes apresentados por copolímeros como o EVA são a sua excessiva plasticidade (quando esticam, não recuperam a posição original), grande aderência ao pó, o que provoca uma diminuição da transmissividade para a radiação solar e sua baixa vida útil, o que geralmente afeta a vida útil de todo o módulo.
Outras características destes copolímeros são:
Boa resistência aos agentes meteorológicos e químicos.
Baixa absorção de água
Fácil de colar
Fácil de cortar
Não tóxico-reciclável
Estrutura de suporte
O quadro de suporte é a peça que dá toda a robustez mecânica. A estrutura de suporte de um painel solar permite a sua inserção em estruturas que agruparão módulos.
O quadro geralmente é feito de alumínio, embora também possa ser feito de outros materiais. Em qualquer caso, é importante que seja construído com um material resistente a diferentes condições climáticas.
Proteção subsequente
Sua missão de proteção posterior do painel fotovoltaico consiste, fundamentalmente, em proteger contra agentes atmosféricos, exercendo uma barreira intransponível contra a umidade. Normalmente, são utilizados 24 materiais acrílicos, Tedlar ou EVA. Muitas vezes são brancas, pois isso favorece o desempenho do painel devido à reflexão que produz nas células.
Tedlar, também conhecido como PVF, fluoreto de polivinilo, ou (CH2CHF) n. Tedlar ou PVF é um polímero termoplástico, estruturalmente semelhante ao PVC (cloreto de polivinilo). Possui baixa inflamabilidade, baixa permeabilidade ao vapor e excelente resistência ao desgaste devido a condições atmosféricas.
Caixa de conexão elétrica
Dois fios saem da caixa de conexão elétrica, um positivo e o outro negativo. É o lugar onde há continuidade no circuito elétrico.
Alguns módulos fotovoltaicos têm uma ligação à terra, que deve ser usada em instalações de alta potência.
Tipos de células fotovoltaicas:
Células de Silício Cristalizado
A célula solar clássica. É composta de uma lâmina de silício purificado dopada, ao mesmo tempo, com boro e fósforo. A parte dopada com fósforo, do tipo-N, fica exposta ao sol. A parte dopada com boro, do tipo-P, fica na parte inferior da célula, e é maior que o tipo-N.
São colocados contatos frontais, e traseiros, sendo que os contatos frontais, sobre a parte tipo-N, causam sombra e reflexão, diminuindo a eficiência da célula.
Seria teoricamente possível diminuir as perdas por reflexão, diminuindo a quantidade de contatos frontais mas, quanto menos condutores para captar os elétrons liberados pelo efeito fotovoltaico, mais elétrons serão recombinados nos átomos de silício, após perderem a energia adquirida que é transformada em calor, fazendo com que a célula seja ainda mais ineficiente. Temos então uma relação de máxima eficiência, quando a célula tem o máximo de contatos frontais possível, mas tem a menor área possível.
As células fotovoltaicas de silício cristalizado absorvem a radiação solar em uma faixa muito estreita do espectro da radiação.
Fótons com energia superior à necessária (próximos à luz ultravioleta, com frequência mais alta) concedem energia em excesso, que será transformada em calor. Fótons com energia inferior à necessária (próximos à luz infravermelha, com frequência mais baixa) não concedem energia suficiente para a liberação dos elétrons de sua orbita, e essa energia é convertida em calor.
Mesmo dentro da faixa aproveitável, apenas uma parte dos fótons têm a energia correta para o efeito, e os fótons com mais energia contribuem com maior geração de calor.
Com o calor, as células fotovoltaicas de silício cristalino perdem eficiência, pois a tensão da célula cai e, portanto, a potência que essa pode gerar cai também.
Aproveitamento da radiação solar (abaixo da atmosfera) por células fotovoltaicas – fonte: CRESESB
Na área da junção-PN há um “gradiente elétrico” que contribui para aumentar as perdas na conversão fotovoltaica. Durante a fabricação de um módulo fotovoltaico, a conexão das células fotovoltaicas em série também aumenta as perdas, pois a resistência entre as ligações é somada.
Célula Fotovoltaica de Silício Monocristalino
Para a fabricação das células monocristalinas, o silício purificado (mas em forma de policristal) tem que ser transformado em um único cristal, que pode ser obtido através de um “processo de cultura de cristais”.
Um dos mais conhecidos é o Método Czochralski (desenvolvido pelo químico polonês “Jan Czochralski”), que consiste em derreter novamente o silício em um cadinho (representado na figura abaixo) de quartzo, em temperatura em torno de 1420 °C.
Uma semente do monocristal de silício é inserida no cadinho e, à medida que o mosto é resfriado, o cadinho e a semente giram.
O cristal semente é vagarosamente erguido do cadinho, orientando a formação de um novo cristal único de silício (monocristal) de aproximadamente 30 cm de diâmetro, até vários metros de comprimento.
Esse monocristal será cortado em um formato (semi) quadrado e depois fatiado em lâminas (chamadas de waffers), com espessura de aproximadamente 0.3 mm.
O pó de serragem, liberado durante a serragem, é derretido novamente junto com as partes cônicas (bordas) do cilindro de silício. As lâminas serão tratadas quimicamente para a remoção de rebarbas, que apara até 0,01 mm de cada lado.
Começando com as lâminas já devidamente dopadas com boro, ou seja, do tipo-P, será criada uma camada superior do tipo-N, através do processo de difusão de vapor de fósforo em um forno de difusão a temperaturas em torno de 800°C a 900 °C, criando a junção-PN.
Depois de aplicada uma camada de material antirreflexo, serão impressos os contatos frontais e traseiros, e por fim as células são cortadas nas laterias para a remoção de possíveis causadores de curto-circuitos.
O silício purificado, como explicado anteriormente, é derretido em um cadinho de quartzo e moldado em forma de cubo e, através de um processo controlado de aquecimento e resfriamento, o bloco se solidifica em uma única direção, de maneira a conseguir uma formação cristalina a mais homogênea possível. Como o silício cristaliza livremente, há a formação de vários cristais, por isso o nome policristalino.
Os vários cristais aumentam as perdas por recombinação, fazendo com que as células de silício policristalino sejam levemente menos eficientes que as de silício monocristalino.
Durante o processo de solidificação são criados lingotes de silício policristalino que serão serrados em barras, utilizando uma serra-fio e depois cortados em lâminas (waffers) de aproximadamente 0.3 mm de espessura, mais uma vez por uma serra-fio.
Todo esse processo de serragem provoca perdas de material na forma de pó de serragem. O silício já é dopado com a impureza tipo-P (geralmente boro) durante a purificação.
Após a serragem e limpeza, as lâminas serão dopadas com fósforo (em apenas uma face) e será aplicada uma camada de material antirreflexo (que aumentará a absorção luminosa). Por fim, serão impressos os contatos frontais e traseiros.
O silício amorfo (sem forma) não possui uma estrutura cristalina, mas sim uma rede irregular. Devido a isso, ocorrem ligações livres que absorvem o hidrogênio até a sua saturação. O silício amorfo hidrogenado (a-Si:H) é criado em reatores de plasma, pela deposição de silano gasoso (SiH4), em temperaturas entre 220 °C e 250 °C.
O dopante é adicionado pela mistura de gases que contém o devido material: o “diborano” (B2H6 – hidreto de boro) para o tipo-P, e o “fosfina” (PH3 – hidreto de fósforo) para o tipo-N. Devido à pequena extensão da difusão do a-Si:H dopado (pois é uma película extremamente fina), os elétrons e buracos livres na junção-PN não sobrevivem tempo suficiente para gerar uma corrente elétrica externa (devido à recombinação dos elétrons).
Por isso, uma camada de a-Si:H intrínseco (não dopado) é colocada entre camadas de a-Si:H do tipo-N e do tipo-P, na qual as cargas elétricas duram mais tempo. É nessa camada que acontece a absorção da luz e liberação dos elétrons. Como contatos frontais, podem ser utilizados o Óxido de Estanho (SnO), o Óxido de Estanho e Índio (ITO – do inglês: Indium Tim Oxide) ou o Óxido de Zinco (ZnO). Se os materiais forem depositados na parte frontal do vidro, como mostrado na figura, será criada uma estrutura do tipo p-i-n (tipo-P; tipo-I, de intrínseco; tipo-N).
Os materiais podem ser depositados em uma sequência inversa (n-i-p) na parte traseira do substrato. Isso permite que sejam criados módulos fotovoltaicos flexíveis em substrato leves não transparentes, como plástico ou metal, que são mais adequados à colocação em telhados.
A principal desvantagem do silício amorfo está na sua baixa eficiência, que diminui ainda mais durante os primeiros 6 a 12 meses de operação, devido à degradação induzida pela luz (através do efeito Staebler-Wronsky), antes de se estabilizar e alcançar a potência nominal de operação. Alguns fabricantes produzem células empilhando as estruturas p-i-n umas sobre as outras.
Com essa técnica, é possível criar células que aproveitam uma parte maior do espectro da radiação solar, otimizando cada camada para uma banda de cor específica, através da mistura com outros materiais, por exemplo, o germânio (a-SiGe). Além disso, células empilhadas sofrem menos os efeitos de envelhecimento, e as camadas de a-Si:H do tipo-I são mais finas e, consequentemente, menos susceptíveis à degradação pela luz.
Comparação entre as Eficiências dos Diferentes Tipos de Célula Fotovoltaica
No fim das contas, temos o percentual da radiação solar que é aproveitada pelas células fotovoltaicas na tabela abaixo. Os fabricantes trabalham em técnicas de produção aprimoradas que visam diminuir as perdas individuais e coletivas das células fotovoltaicas, para alcançar a máxima eficiência, que hoje já alcança valores em torno de 16%.
É importante não confundir a eficiência das células solares fotovoltaicas com a eficiência dos módulos fotovoltaicos. O painel solar tem sua eficiência baseada na sua área total e na potência-pico que consegue fornecer.
A eficiência da célula fotovoltaica determina as dimensões de um módulo fotovoltaico de potência-pico definida, sendo que, quanto maior é a eficiência da célula, menor será o tamanho do módulo. Células fotovoltaicas de diferentes processos (Silício Amorfo, CIS/CIGS, CdTe) possuem eficiências diferentes, e trabalham espectros diferentes da radiação solar, além de terem comportamentos distintos com aumento da temperatura, fazendo com que sejam apropriadas a determinados tipos de instalações fotovoltaicas.
A tabela abaixo resume as diferenças de eficiência de conversão energética entre os tipos de células fotovoltaicas mais comercialmente ativas:
As constantes melhorias nas técnicas de produção têm aumentado a eficiência de conversão das células fotovoltaicas de silício cristalizado, em especial a do silício policristalino, que é o mais utilizado atualmente.
Concluindo, podemos ver pelo texto acima que são muitas as tecnologias que utilizam o processo fotovoltaico e possibilitam transformar a luz do sol em energia elétrica.
Outro item muito importante nesse processo é o inversor solar, também conhecido como inversor fotovoltaico.
Agora que você conhece os diferentes tipos de células fotovoltaicas, suas vantagens e desvantagens, ficará bem mais fácil na hora de escolher os módulos fotovoltaicos do seu sistema de energia solar.
