Células Fotovoltaicas: Funcionamento, Produção e Tipos de Módulos

POR Pedro Coelho

Publicado: quarta-feira, 19 de dezembro de 2012

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As células fotovoltaicas ou módulos fotovoltaicos (grupo de células) são dispositivos capazes de converter a luz do sol diretamente em energia elétrica. Elas são feitas de materiais semicondutores (que geralmente, são sólidos cristalinos de condutividade elétrica intermediária entre condutores e isolantes). Como por exemplo, O silício, que é atualmente o material semicondutor mais usado na produção de células fotovoltaicas.

História das Células Fotovoltaicas (Células Solares)

A descoberta das células fotovoltaicas é algo que marcou o início da mudança na produção de energia. Essa mudança é algo que foi repetido várias vezes para fazer novos progressos no campo da energia solar por pesquisadores pelo decorrer dos anos e isso é algo que ainda está acontecendo até hoje.

A história dessas células começou em 1839, quando o cientista francês Alexandre Edmond Becquerel descobriu o princípio do efeito fotovoltaico aos 19 anos. Naquela época, ele estava fazendo um experimento com células eletrolíticas às quais ligava um ânodo e um cátodo de platina, ele basicamente mediu a corrente que flui entre esses dois eletrodos.

Retrato de Alexandre Edmond Becquerel

Becquerel notou que praticamente havia uma pequena diferença na quantidade de corrente entre condições luminosas e escuras. Além disso, ele também percebeu que quando os elétrons estavam em um estado excitado em uma banda de condução, eles podiam se mover livremente através de um material, criando assim uma corrente.

Ele não tinha se ligado em um primeiro momento de que havia descoberto a base da energia fotovoltaica, embora a implementação prática só ocorresse após o reconhecimento do artigo que Einstein escreveu em 1907 sobre o poder da energia solar, pelo qual acabou recebendo o prêmio Nobel em 1921.

Vários engenheiros e pesquisadores trabalharam nesta área durante o século XIX, e o primeiro painel solar foi inventado pelo nova-iorquino Charles Fritts que construiu o primeiro módulo a partir de células de selênio em 1883 e, ao fazê-lo, criou o precursor do módulo fotovoltaico. Isso levou a várias pesquisas fundamentais sobre o efeito fotoelétrico.

Os primeiros painéis solares de Charles Fritts instalados em um telhado na cidade de Nova York em 1884. (Foto de John Perlin)

O primeiro painel sonar era revestido por uma fina camada de selênio com uma camada extremamente fina camada de ouro. As células resultantes tinham uma eficiência elétrica de conversão de apenas cerca de 1%. Esta invenção levou ao lançamento de um movimento para a produção de energia solar.

Após o surgimento dos semicondutores em 1941, o engenheiro estadunidense Russell Shoemaker Ohl descreveu um processo de formação de lingotes de silício que levou à produção da primeira célula de junção PN.

Ohl cortou uma seção do lingote, incluindo as porções superior, de barreira e inferior, e eletrodos anexados às partes superior e inferior, produzindo assim a primeira célula solar de silício.

No início dos anos de 1950, a era solar começou quando os cientistas do Bell Laboratory se concentraram em desenvolvimentos fotovoltaicos (PV) e começaram a utilizar silício para produzir células solares. Este avanço é creditado a Daryl Chapin, Calvin Fuller e Gerald Pearson, que produziram uma célula fotovoltaica com eficiência de apenas 4%.

A primeira célula solar redonda de silício cristalino de 2 centímetros com uma eficiência de mais de quatro por cento foi fabricada nos Laboratórios Bell e apresentada ao público em geral em 1954. Hoje, a maioria das células solares é feita de cristais de silício.

Esse avanço fez com que o governo dos Estados Unidos começasse a investir mais dinheiro na tecnologia de células solares. Nas décadas de 1960 e 1970, a produção de painéis solares tornou-se possível, mas a desvantagem era que era muito caro para os consumidores convencionais, mas os cientistas continuaram a desenvolver a tecnologia de energia solar para reduzir o custo.

Foto de anúncio que apareceu na edição de 1956 da Look Magazine, mostrando uma placa solar da Bell Company para o público americano. (Fonte: Edição de 1956 da Look Magazine Energia Solar nos anos 2000).

Naquela época, os módulos fotovoltaicos só eram apenas implementados muito raramente em áreas remotas, longe da próxima rede de energia. A crise do petróleo de 1973 fez tudo isso mudar.

Na década de 1970, os EUA concentraram-se fortemente na pesquisa nesta área e continuaram a desenvolver os módulos fotovoltaicos até serem lançados para uso comercial inicial.

Isso fez com a participação dos EUA no mercado fotovoltaico mundial fosse de cerca de 21 por cento em 1983, embora muitas vezes fossem usinas fotovoltaicas de grande escala.

A ideia inicial era de se usar vários sistemas descentralizados menores em vez de sistemas de grande escala como acabou surgindo na Suíça. O professor da Instituto Federal de Tecnologia de Zurique, Pierre Fornallaz, reconheceu o "charme da descentralização". O engenheiro suíço Markus Real também se concentrou nessa área depois de ver os sistemas fotovoltaicos em uso nos EUA. Em 1979, ele construiu o primeiro sistema desse tipo na Suíça no telhado de um galpão de ferramentas em Würenlingen (AG), conectou-o à rede elétrica e alcançou outro recorde: a primeira usina solar acoplada à rede na Europa.

No verão de 1986, ele lançou um grande projeto para a construção de 333 usinas solares descentralizadas (plantas de 3 kWp) e encontrou proprietários suficientes dispostos a pagar CHF 41.000 para instalar uma usina em seus telhados.

A campanha para a energia fotovoltaica na Suíça foi promovida com o Tour de Sol (uma corrida de veículos solares pela Suíça/1985 a 1993) e em 1992 a Elektrowatt AG e a BKW alcançaram um marco no Mont Soleil – uma usina solar com capacidade de 500 kWp , a maior fábrica da Europa na época.

Mais tarde, os subsídios políticos se tornaram os principais impulsionadores da instalação de usinas fotovoltaicas. Em particular, a taxa EEG na Alemanha. Hoje nosso vizinho junto com China, Estados Unidos e Japão está entre os países com maior capacidade fotovoltaica instalada, totalizando mais de 4000 GWp no mundo.

Princípio de Funcionamento das células Fotovoltaicas

O princípio de funcionamento das células fotovoltaicas é bem simples, e tudo começa quando a luz solar atinge a junção pn dos semicondutores do tipo P e N.

Os fótons dessa luz podem entrar facilmente nessa junção através de uma camada muito fina do tipo p. A energia da luz, na forma de fótons, fornece energia suficiente à junção para criar vários pares elétron-buraco.

A luz incidente quebra a condição de equilíbrio térmico da junção. Os elétrons livres na região de depleção podem vir rapidamente para o lado do tipo n da junção.

Da mesma forma, os buracos na depleção podem chegar rapidamente ao lado do tipo p da junção. Uma vez que os elétrons livres recém-criados vêm para o lado do tipo n, não podem mais cruzar a junção devido ao potencial de barreira da junção.

Da mesma forma, os orifícios recém-criados, uma vez que chegam ao lado do tipo p, não podem mais cruzar a junção, tornando-se o mesmo potencial de barreira da junção. À medida que a concentração de elétrons aumenta em um lado, ou seja, o lado do tipo n da junção e a concentração de lacunas aumenta no outro lado, ou seja, o lado do tipo p da junção, a junção pn se comportará como uma pequena célula de bateria.

Uma voltagem é configurada, conhecida como fotovoltagem. Se conectarmos uma pequena carga na junção, haverá uma pequena corrente fluindo através dela.

Como é a Produção de Módulos de Células Fotovoltaicas?

O material semicondutor para realmente se transformar em uma célula fotovoltaica. Necessita antes, de uma maneira geral, passar por uma etapa de purificação e, em seguida, por uma etapa de dopagem, através da introdução de impurezas, dosadas em uma determinada quantidade.

Depois de produzidas, as células de um módulo são conectadas em série através de tiras de metal, soldadas na parte de trás de uma célula e na frontal da seguinte. São conectadas duas tiras em cada célula com a função de segurança, caso ocorra interrupção da corrente em uma delas.

Depois de conectadas, As células são encapsuladas por materiais plásticos que fornecem proteção permanente. O lado frontal à radiação solar incidente é coberto com um material transparente (podendo ser vidro ou plástico transparente) , os quais são bastante resistentes, e promovem uma boa proteção as células fotovoltaicas.

A região posterior à radiação solar incidente é coberta por camadas de materiais tais como: folha de alumínio, plástico Tedlar e vidro. Materiais que fornecem uma boa proteção para a parte de trás dos módulos.

Finalmente uma estrutura metálica auto-portante permite uma montagem rápida dos módulos. Utiliza- se geralmente, estrutura de alumínio anodizado.

Painéis de células fotovoltaicas (são módulos fotovoltaicos interligados)

Principais Tipos de Células Fotovoltaica

Os principais tipos de painéis solares disponíveis hoje no mercado são painéis monocristalinos, policristalinos e de filmes Finos - silício amorfo. Os filmes finos incluem células feitas de diferentes materiais, ao contrário das células solares de silício, cada uma dessas placas tem suas próprias vantagens e desvantagens. Abaixo tem alguns textos com uma breve descrição de cada um desses tipos de painéis de células fotovoltaicas:

Silício (Si) Monocristalino

Essas células de silício monocristalino são feitas a partir de um único cristal de silício cilíndrico, apresentam uma alta eficiência de conversão de luz solar em energia elétrica, que varia normalmente em torno de 12 a 16% dependendo do fabricante, porem um custo elevado de produção.

célula de silício monocristalino

Silício (Si) Multicristalino

As células do Silício (Si) Multicristalino ou também chamado de Silício (Si) Policristalino, são células fabricadas com o mesmo material que o Silício (Si) Monocristalino , mas diferentemente do Silício (Si) Monocristalino, Essas células são fabricadas com blocos solidificados compostos de pequenos cristais.

As células multicristalinas alcançam eficiência próxima a das células monocristalinas e, a energia necessária para produzir essas células , é significativamente menor a das células monocristalinas

célula de silício policristalino

Filmes Finos - Silício Amorfo

Com o intuito de buscar formas alternativas de se produzir células fotovoltaicas, pesquisadores tem investigado células de filmes finos, com o objetivo geral de se produzir células fotovoltaicas confiáveis, utilizando menos material semicondutor, com uma forma mais passível a larga escala, com isso resultando em baixo custo do produto e conseqüentemente da energia gerada

Nesse estudos de filmes finos , Os materiais mais estudados são o silício amorfo hidrogenado (a-Si:H), o disseleneto de cobre e índio (CIS) e o telureto de cádmio (CdTe).

O silício amorfo vem sendo o mais usado para produzir células fotovoltaicas, em relação aos outros citados. Não se sabe ao certo qual dessas tecnologias terá maior sucesso em um futuro próximo. Mas sabe se que todas elas tem um grande potencial para a produção de células fotovoltaicas a baixo custo e, que todas precisam evoluir muito para que possam alcançar uma plena maturidade industrial e, atingir o nível de confiança das células cristalinas.

células de silício amorfo

Evolução das placas fotovoltaicas e o seu futuro

Na década de 1950, o mundo tinha menos de um watt de células solares alimentando equipamentos elétricos. Após mais de 50 anos da descoberta das células fotovoltaicas de silício, o desenvolvimento contínuo das células de silício e de outros materiais fotovoltaicos ainda estão em forte alta.

Atualmente, os painéis solares fornecem eletricidade a milhões de casas em todo o mundo, alimentam edifícios, satélites e fornecem energia limpa em todo o mundo.

A capacidade instalada global de energia solar é estimada em cerca de 728 GW e estima-se que cresça até 1.645 GW em 2026. A energia solar exibiu o declínio de custo mais rápido entre as tecnologias de energia.

A energia solar tem avançado em um ritmo que surpreende até mesmo os especialistas da área e agora promete ter um papel de destaque na transição energética em curso. De acordo com os Dados da Indústria de Energia Solar (SEIA) da última década, a indústria fotovoltaica global tem crescido a uma taxa composta média anual superior a 35%. É certo que a implantação de PV continuará a crescer à medida que o portfólio de energia global transita mais para a energia renovável.

O aumento da potência do módulo dos painéis de 250 W para 500 W na última década resultou na diminuição da contribuição relativa do custo do módulo para o custo total do sistema fotovoltaico. As células solares de silício ainda dominam boa parte do mercado e levará algum tempo para que as células solares de outros materiais ganhem o domínio do mercado.

O preço das células fotovoltaicas de silício na década de 1950 era de 76 US$/Watt, que caiu significativamente para 0,20 US$/Watt em 2021. De 2000 a 2019, os preços foram reduzidos significativamente, mas as reduções começaram a se estabilizar depois disso.

Um dos principais desafios atualmente é reduzir custos e melhorar a eficiência, e isso pode ser resolvido com a criação de novos métodos de fabricação de módulo solar de wafer de silício com um custo reduzido.

A tecnologia fotovoltaica hoje está baseada em grande no silício cristalino, e essa indústria padronizada tem uma curva de aprendizado acentuada e está bem posicionada para enfrentar o desafio de produzir muitos terawatts de energia. Também estamos atingindo o limite teórico das células solares de junção única.

Em uma última análise, as tecnologias fotovoltaicas podem ser uma solução para resolver os problemas futuros com energia, no entanto, mais pesquisas significativas ainda são necessárias para permitir isso a baixos custos para o mercado de massa. Além disso, não devemos no esquecer de que esta tecnologia tem mais de cinquenta anos, e mais pesquisa ainda são necessárias para um maior desenvolvimento da tecnologia das células fotovoltaicas.

Referências

• http://www.algosobre.com.br/fisica/celula-fotovoltaica.html (Acessado em 19/12/2012 as 16:28)
• http://ambiente.hsw.uol.com.br/celulas-solares.htm (Acessado em 19/12/2012 as 15:47)
• http://www.electronica-pt.com/index.php/content/view/271/202/ (Acessado em 19/12/2012 as 16:13)
• Manual de Engenharia para Sistemas Fotovoltaicos,Grupo de Trabalho de Energia Solar – GTES ,CEPEL – CRESESB ,Edição Especial PRC-PRODEEM , Rio de Janeiro - Agosto - 2004
• https://www.smithsonianmag.com/sponsored/brief-history-solar-panels-180972006/ ( acessado em 20/01/2023 as 12:48)
• https://www.axpo.com/dk/en/about-us/magazine.detail.html/magazine/renewable-energy/how-the-solar-cell-found-the-spotlight.html (acessado em 23/01/2023 as 12:18)
• https://www.electrical4u.com/solar-cell/ (acessado em 24/01/2023 as 12:27)
• https://www.solarpowerworldonline.com/2018/07/thin-film-solar-stuck-in-second-place-even-with-c-si-tariffs/ (acessado em 25/01/2023 as 12:21)
• https://www.solarenergyworld.com/solar-history-alexandre-edmond-becquerellar/ (acessado em 25/01/2023 as 12:43)

Sobre o autor

Olá meu nome é Pedro Coelho, eu sou engenheiro químico, engenheiro de segurança do trabalho e Green Belt em Lean Six Sigma. Além disso, também sou estudante de engenharia civil, e em parte de minhas horas vagas me dedico a escrever artigos aqui no ENGQUIMICASANTOSSP, para ajudar estudantes de Engenharia Química e de áreas correlatas. Se você está curtindo essa postagem, siga-nos através de nossas paginas nas redes sociais e compartilhe com seus amigos para eles curtirem também :)