Célula solar fotovoltaica
O que é célula fotovoltaica?
A célula solar, ou célula fotovoltaica, é o dispositivo elétrico responsável por converter a energia da luz do sol diretamente em energia elétrica por meio do efeito fotovoltaico.
Existem diversos tipos de células fotovoltaicas, que são classificados pelo material e refinamento usado. Os princcipais tipos de células fotovoltaicas são produzidos em silício, podendo ser cristalino, monocristalino (mono-Si), policristalino (multi-Si) e silício amorfo (a-Si). Tradicionalmente, são usadas 36, 60 ou 72 células fotovoltaicas interligadas em série para montar uma placa solar fotovoltaica (também chamada de painel solar ou módulo fotovoltaico), equipamento responsável pela geração de energia elétrica provinda do sol, chamada de energia solar fotovoltaica.
Da célula fotovoltaica ao sistema fotovoltaico Conforme mencionado anteriormente, um painel solar de uso residencial ou em usinas é composto, tradicionalmente, por 36, 60 ou 72 células fotovoltaicas ordenadas. Para gerar energia elétrica suficiente para alimentar a sua casa ou empresa toda, é necessário combinar esses painéis em um arranjo fotovoltaico e instalar os outros componentes do sistema fotovoltaico.
Como funciona uma célula fotovoltaica
A célula solar fotovoltaica é fabricada em materiais semicondutores, para que, quando os fótons as atingirem, alguns dos elétrons que circundam os átomos se desprendam e migrem para uma região que está com ausência de elétrons, criando uma corrente elétrica, chamada de energia solar fotovoltaica. Portanto, a célula fotovoltaica reage com a incidência dos raios do sol e libera elétrons que são transferidos para um circuito dentro de um painel solar, gerando energia elétrica. Para entender melhor como funciona a célula fotovoltaica, veja como funciona o painel solar.
Quais são os tipos de células fotovoltaicas?
As células fotovoltaicas devem ser produzidas em materiais semicondutores, portanto, os tipos de células solares mais utilizados no mundo são de silício, tais como silício cristalino, silício monocristalino (mono-Si), silício policristalino (multi-Si) e silício amorfo (a-Si).
Células de silício cristalino O tipo de célula fotovoltaica mais comum utiliza, em sua fabricação, o silício cristalino (C-Si), também conhecido como “silício de grau solar”. Se você tem um painel solar em sua casa, há 99% de chances de que ele utilize o silício cristalino como base para as suas células. As células de silício cristalino são fatias de lingotes de silício cristalino tratadas quimicamente para que possam produzir energia elétrica com a luz do sol por meio do efeito fotovoltaico. Célula de silício monocristalino (mono-Si)
Células fotovoltaicas de silício monocristalino são o tipo mais eficiente. Os cantos das células são recortados como um octógono, pois as lâminas de silício (wafers) são cortadas a partir de lingotes cilíndricos, que são tipicamente cultivadas pelo processo Czochralski. Os painéis solares que utilizam células mono-Si exibem um padrão distinto de pequenos diamantes brancos. Veja, abaixo, da esquerda para a direita, o minério de silício purificado, o forno de Czochralski, lingote de silício, as fatias (wafers) e a célula fotovoltaica monocristalina. Célula de silício policristalino (multi-Si)
As células também são feitas de silício purificado, no entanto, o processo de fundição é diferente. O silício purificado é fundido em grandes blocos. Células de silício policristalino são o tipo mais comum usado em painéis fotovoltaicos e são menos eficientes do que as feitas de silício monocristalino. Veja, abaixo, da esquerda para a direita, o minério de silício purificado, a fundição em bloco do silício, os "tijolos de silício" cortados, as fatias (wafers) e a célula fotovoltaica policristalina. NOTA: a maioria dos painéis fotovoltaicos utilizados em casas, indústrias e usinas de energia solar utiliza uma das duas células mostradas acima: monocristalina ou policristalina.
Célula fotovoltaica de filme fino (thin-film)
Os painéis que usam a tecnologia de filme fino são feitos de uma forma completamente diferente dos tradicionais com células de silício cristalino. A maioria dos painéis de filme fino possui eficiência de conversão de 2 a 3 pontos percentuais mais baixa do que o silício cristalino. Também é uma ótima tecnologia, sendo utilizada em pequenas células fotovoltaicas, como a de uma calculadora de escritório. Telureto de cádmio (CdTe), seleneto de cobre gálio índio (CIGS) e silício amorfo (a-Si) são as três tecnologias de filme fino mais utilizadas. A maior empresa fabricante de filme-fino do mundo é a First Solar (EUA), que usa os seus painéis principalmente em usinas solares.
Célula solar de silício amorfo (a-Si)
A célula solar de silício amorfo (a-Si) é conhecida por sua utilização para aplicações em pequena escala. Ou seja, normalmente, ela é pouco aplicada, o que implica uma baixa produção de energia elétrica em sua tecnologia.
Além disso, células deste tipo são fabricadas a partir do método de “empilhamento”, resultante de um custo mais elevado. Sendo assim, suas camadas de silício amorfo podem ser combinadas com outras a fim de aumentar sua eficiência de 6% a 9%.
Célula fotovoltaica de seleneto de cobre índio e gálio (CIGS)
Quanto à célula fotovoltaica de seleneto de cobre índio e gálio, também abreviada por CIGS, seus níveis de eficiência em placas solares estão estabelecidos entre 10% e 12%. Dessa forma, este tipo de célula supera tecnologias como as células a-Si, mencionadas acima, por exemplo.
Além disso, as células CIGS são compostas por menos cádmio, que é um material tóxico, fazendo com que seu nível de eficiência atinja até 13% no Brasil.
Célula fotovoltaica de telureto de cádmio (CdTe)
No caso da célula fotovoltaica de telureto de cádmio, também conhecida como CdTe, sua operação em placas solares de película fina possui o melhor custo-benefício, já que sua eficiência média gira em torno de 9% a 16%.
Célula solar de arseneto de gálio
Embora possua um alto custo de aquisição devido à sua eficiência de 28%, a célula solar de arseneto de gálio é estruturada por um material semicondutor e composta por químico sintético, o que possibilita a formação de novas células fotovoltaicas de forma prática. No entanto, o seu uso é restrito, estando disponível apenas para a indústria espacial.
Célula fotovoltaica Híbrida (HJT - Heterojunção)
Células de silício heterojunção consistem em camadas finas de silício amorfo depositadas em wafers de silício monocristalino. Essa combinação entre a tecnologia tradicional de silício cristalino com a de silício amorfo (filme fino) aumenta em 20% a eficiência das células e é, provavelmente, a tecnologia com o maior potencial de crescimento. Ou seja, em 10 anos, é provável que você já tenha painéis de HJT na sua casa.
Célula fotovoltaica orgânica (OPV)
A célula fotovoltaica orgânica (OPV), por sua vez, é caracterizada por sua aplicação a partir de um ramo eletrônico orgânico, que utiliza condutores ou pequenas moléculas orgânicas a fim de absorver a luz do sol e transportar a carga de energia elétrica para a produção de eletricidade limpa e renovável. Atualmente, a tecnologia é utilizada em sistemas fotovoltaicos de baixo custo, principalmente em residências e estabelecimentos comerciais de pequeno e médio porte, por ser flexível e eficiente.
O preço da célula fotovoltaica
Devido ao aumento constante da capacidade produtiva mundial de células fotovoltaicas, incentivos governamentais e aumento na demanda, as células fotovoltaicas tiveram uma redução de preço gigante nas últimas 4 décadas. O encarecimento da energia elétrica devido a diversos fatores também contribuiu muito para o aumento do uso das células fotovoltaicas. O gráfico abaixo mostra o declínio do preço da célula fotovoltaica.
A eficiência da célula fotovoltaica
“Eficiência é basicamente quanta energia elétrica a célula fotovoltaica é capaz de produzir por 1 m² durante 1 hora de funcionamento em condições de laboratório (STC = 25°C – 1000W/m² - 1.5AM)”. Um exemplo: uma célula fotovoltaica de 18% de eficiência consegue produzir, em condições de laboratório, 180 Watts por 1 m² em 1 hora. Uma de 15% consegue produzir 150 Watts, e assim por diante. Com as constantes melhorias tecnológicas e de processos industriais, a eficiência da célula continua aumentando. Veja o gráfico abaixo da NREL que mostra os avanços das diversas tecnologias fotovoltaicas.
Curiosidades sobre a célula fotovoltaica
Impacto ambiental da célula fotovoltaica
Para se produzir uma célula fotovoltaica, é necessária a utilização de diversos gases e químicos. Hoje, o controle de produção das células é extremamente cuidadoso e elas são produzidas em um ambiente controlado, onde todos os resíduos são tratados. Dessa forma, o impacto ambiental das células é praticamente zero.
Os perigos da célula fotovoltaica caseira
O risco de utilizar um painel solar com células caseiras é altíssimo, pois a falta de um processo industrial faz com que a célula não atinja os padrões de qualidade e segurança necessários. Ou seja, o painel solar com células fotovoltaicas caseiras pode ter um curto-circuito e causar um incêndio em sua casa. Caso você goste muito de energia solar e queira trabalhar com isso, recomendamos que você faça um curso de energia solar para aprender corretamente a melhor maneira de trabalhar com as tecnologias fotovoltaicas. Veja a nossa lista de cursos de energia solar aqui. A célula fotovoltaica é o principal componente do painel solar. Se fôssemos comparar um painel solar com um ser humano, seria mais ou menos assim:
Os ossos seriam a lâmina de silício (wafer), ou seja, a estrutura de todo o nosso corpo.
Quando a lâmina é tratada e transformada em uma célula fotovoltaica, isso seria o equivalente a colocarmos todos os músculos e órgãos vitais no nosso esqueleto. Agora, temos vida, mas não temos proteção contra o ambiente externo.
Quando colocamos essas células dentro de um painel fotovoltaico, o painel serve como proteção das células. Na comparação direta, é como se adicionássemos a pele e pêlos para proteger os nossos órgãos e músculos.
Ou seja, a lâmina (wafer) é a estrutura, a célula é a vida e o painel é a proteção. Assim, é fundamental que a célula fotovoltaica seja feita por meio de um processo controlado e que ela seja muito bem montada em um painel solar para evitar qualquer tipo de acidente.
A história da célula fotovoltaica
O efeito fotovoltaico foi demonstrado pela primeira vez em 1839 pelo físico francês Edmond Becquerel. Aos 19 anos, ele construiu a primeira célula fotovoltaica do mundo no laboratório de seu pai. Em 1883, Charles Fritts construiu a primeira célula fotovoltaica em estado sólido. Ele revestiu o semicondutor selênio com uma fina camada de ouro para formar as junções. A célula fotovoltaica de Charles tinha apenas 1% de eficiência. Em 1905, Albert Einstein propôs uma nova teoria quântica da luz e explicou o efeito fotoelétrico em uma de suas teses, pela qual recebeu o Prêmio Nobel de Física em 1921. A primeira célula fotovoltaica comercial foi lançada em 25 de Abril 1954 pelo Laboratório Bell.
As células fotovoltaicas nas missões espaciais As células solares foram utilizadas pela primeira vez no satélite Vanguard em 1958 como uma fonte de energia alternativa. Em 1959, os Estados Unidos lançaram o Explorer 6 com grandes painéis solares em forma de asa, um total de 9600 células solares fotovoltaicas. Isso se tornou uma característica padrão na maioria dos satélites e, até hoje, ainda é a principal fonte de energia utilizada no espaço. No início de 1990, a tecnologia das células fotovoltaicas utilizadas no espaço mudou do tradicional silício cristalino para materiais semicondutores à base de arsenieto de gálio. Hoje, essas células fotovoltaicas evoluíram para a moderna tecnologia de multijunção. Nota: as células fotovoltaicas de multijunção estão, aos poucos, tornando-se competitivas, e a tendência mundial é que, dentro de 5 a 10 anos, estaremos utilizando-as em nossas casas.
Fonte: <https://www.portalsolar.com.br/celula-fotovoltaica.html>