É fotovoltaico – Glauco Diniz Duarte

O que é Célula Fotovoltaica?

Uma célula fotovoltaica é um dispositivo responsável por converter a energia luminosa em energia elétrica. Um conjunto de células fotovoltaicas encapsuladas forma os chamados módulos fotovoltaicos – também conhecido como placas solares ou painéis fotovoltaicos.

As células são produzidas com material semicondutor que, através do efeito fotovoltaico, convertem a radiação solar em energia elétrica.

Há vários tipos de células fotovoltaicas, ou seja, que utilizam tecnologias e/ou materiais diferentes, mas a mais popular (usada pelos fabricantes de painéis solares) é a que utiliza o silício cristalizado.

Essa tecnologia foi a mesma desenvolvida pela empresa Bell Laboratories nos anos 50, e que foi utilizada em satélites nos anos 60. A maioria das usinas fotovoltaicas e das casas que têm energia solar fotovoltaica utilizam painéis solares com células de silício cristalizado, principalmente do tipo policristalino.

Entendendo o Efeito Fotovoltaico: o que é efeito fotoelétrico?

O efeito fotovoltaico foi observado pela primeira vez pelo físico francês Alexandre Edmond Becquerel, em 1839 (utilizando o primeiro componente eletrônico da história) e, devido à similaridade, foi confundido com o efeito fotoelétrico.

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.

O efeito fotovoltaico é o surgimento de uma tensão elétrica em um material semicondutor, quando este é exposto à luz visível. Os dois efeitos estão relacionados, mas são processos diferentes.

Para entender 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 os semicondutores têm a “banda de valência” completamente cheia e a “banda de condução” vazia, mas o “band-gap” dos semicondutores é de 1 eV (um elétron-volt). Isso faz com que um semicondutor se comporte como um isolante à 0° Kelvin, mas, com o aumento da temperatura, começam a conduzir eletricidade, agindo como um condutor. Por isso o nome: semicondutor.

Ao receber fótons de radiação eletromagnética com frequência dentro do espectro da luz visível, os elétrons da banda de valência podem saltar para a banda de condução, produzindo uma corrente elétrica no interior da estrutura cristalina do semicondutor.

Quando um elétron deixa o seu lugar de origem, fica um buraco que é preenchido por outro elétron, pelo efeito da recombinação. Essa recombinação de elétrons faz com que o cristal fique eletricamente neutro. Um semicondutor puro, que não tem impurezas, é chamado de intrínseco.

Para que seja possível aproveitar essa corrente elétrica do interior de um semicondutor intrínseco, é necessário perturbar a sua formação cristalina. Isso é feito adicionando-se elementos químicos que atrapalharão a ligação atômica do semicondutor.

Esse processo se chama dopagem. Para exemplificar, vamos detalhar o processo de dopagem do semicondutor silício.

O Processo de Dopagem

O silício possui quatro elétrons de valência e necessita de mais quatro átomos vizinhos para formar uma ligação covalente. Se inserirmos um elemento de 5 elétrons de valência (ex.: fósforo ou arsênio) o quinto elétron ficará fracamente ligado ao átomo de origem e, quando o semicondutor estiver à temperatura ambiente, esse elétron ficará livre, fazendo com que o cristal de silício dopado com esse material fique negativamente carregado. Esse é um semicondutor do Tipo N.

Se ao silício for adicionado um dopante com 3 elétrons de valência, ficará faltando um elétron na estrutura cristalina. Em temperatura ambiente, com a liberação de elétrons, o semicondutor ficará positivamente carregado se tornando um semicondutor do Tipo P.

Para formar uma célula solar (ou um diodo) são unidos os dois tipos de semicondutor. Na área da união, chamada de Junção-PN, os elétrons livres do semicondutor tipo N migrarão para o semicondutor tipo P para ocuparem esses espaços.

Essa migração não ocorre indefinidamente, pois forma-se um campo elétrico na área de junção que impede que os elétrons continuem fluindo.

Ao receberem fótons de luz visível, os elétrons são energizados, mas não conseguem fluir da camada N para a camada P. Se ligarmos as duas camadas externamente, podemos aproveitar a corrente elétrica que se forma na passagem dos elétrons de uma camada para outra.

É assim que funciona uma célula fotovoltaica.

Tipos de Células Fotovoltaicas

Célula Fotovoltaica 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.

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.

Célula Fotovoltaica de Silício Policristalino

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 o 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.

Célula Fotovoltaica de Película Fina (Thin Film)

As células fotovoltaicas de película fina foram a promessa para baratear o custo dos módulos fotovoltaicos, desde os anos 90. Devido a vários fatores, não conseguiram substituir o silício cristalizado como padrão para produção das células fotovoltaicas.

Um dos principais motivos é que as modernas técnicas de obtenção de silício grau-solar, a utilização do “silício multicristalino” e a produção em larga escala permitiram grande redução de custos.

Vantagens da Célula Solar Thin Film

As células de película fina utilizam muito menos matéria-prima e energia para sua fabricação, não tem restrições de tamanho e forma e podem até mesmo serem flexíveis e transparentes.

Devido às suas características de absorção da luz, camadas muito finas, de menos de 0,001mm, são teoricamente suficientes para a conversão da radiação solar.

Os átomos dos materiais utilizados são mais susceptíveis à contaminação por “átomos estranhos”. Isso significa que é mais fácil de “dopar” esse material, e assim obter o semicondutor (tipo-P ou tipo-N), o que reduz seus custos na medida em que utiliza menos material em sua fabricação.

Comparadas à tecnologia de fabricação do silício amorfo, as tecnologias de película fina consomem muito menos energia.

Enquanto a temperatura de manufatura do silício cristalizado fica em torno de 1.500 °C, a temperatura de produção das películas finas está entre 200 °C e 600 °C.

Desvantagens da Célula Solar Thin Film

A principal desvantagem das tecnologias de película-fina, se comparadas ao silício cristalizado, está na menor eficiência.

Além disso, o silício cristalizado vive mais tempo – com fabricantes dando até 20 anos de garantia de eficiência mínima – enquanto os fabricantes das células fotovoltaicas de películas finas garantem em torno de 10 anos.

Cada uma das tecnologias apresentadas tem suas desvantagens, quando comparadas à tecnologia de silício cristalizado.

Célula Fotovoltaica de Silício Amorfo

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.

Célula Fotovoltaica Disseleneto de Cobre Índio e Gálio (CIGS)

Para a fabricação das células solares CIGS, o substrato de vidro é inicialmente revestido com uma fina camada de molibdênio em um processo de pulverização catódica.

A camada do tipo-P de CIGS pode ser fabricada pela vaporização simultânea dos elementos cobre, índio, gálio e selênio em uma câmara de vácuo, sob temperaturas entre 500°C e 600°C.

Ou pela pulverização desses elementos em camadas individuais e em temperatura ambiente, com posterior cozimento rápido em temperatura de 500°C.

Como contato frontal transparente, é utilizado o óxido de zinco dopado com alumínio (ZnO:al), que é do tipo-N. Entre os dois tipos de semicondutor (P e N), é colocada uma camada de óxido de zinco intrínseco e uma camada de sulfato de cádmio, o que ajuda a reduzir perdas provocadas pela combinação entre o oxido de zinco e o CIGS.

Diferentemente do silício amorfo, as células de CIGS não sofrem degradação sob a ação da luz. Mas é necessário um selamento robusto, para evitar a degradação do óxido de zinco, o que inutilizaria o módulo.

As Placas Solares com células fotovoltaicas CIGS são os mais eficientes, dentre as tecnologias de película fina, apresentando até 11% de eficiência.

Infelizmente o seu custo não está tão baixo quanto o do silício, além do uso de índio, que é um material raro, altamente requisitado pela indústria de smartphones. O índio é o componente principal das telas táteis (touchscreen) capacitivas.

Célula Fotovoltaica de Telureto de Cádmio (CdTe)

As células fotovoltaicas de CdTe são fabricadas em um substrato de vidro, com uma camada de condutor transparente como contato frontal, onde geralmente é utilizado o óxido de estanho e índio (OTI).

O contato frontal é revestido com uma finíssima camada de Sulfeto de Cádmio (CdS) que é um semicondutor do Tipo-N, depois com uma camada de Telureto de Cádmio (CdTe), que é do Tipo-P.

Esse procedimento pode ser feito por uma espécie de impressão em tela (silk-screen).

Para fabricar módulos maiores, ou com maior eficiência, pode-se utilizar de disposição por vaporização em uma câmara de vácuo com temperaturas de aproximadamente 700°C.

A junção P-N de CdS-CdTe é ativada quando entra em contato com uma atmosfera com cloro.

A principal dificuldade para a fabricação de módulos fotovoltaicos utilizando o CdTe é a toxicidade do cádmio. O Telureto de Cádmio é um composto atóxico, que é tóxico somente durante o processo de fabricação, o que exige procedimentos rigorosos de controle.

Assim como as células de CIGS, as células de CdTe não se degradam sob a ação da luz.

Outros Tipos de Células Fotovoltaicas

Além das tecnologias citadas acima, que são as mais ativas comercialmente, existem outras que são resultado de muita pesquisa e desenvolvimento, mas que por diversos motivos não alcançaram o mercado liderado pelo silício policristalino.

Dentre as principais tecnologias, podemos destacar as células fotovoltaicas híbridas, as sensibilizadas por corantes (células orgânicas) e as células solares de Arsenieto de Gálio,que são as mais eficientes já produzidas.

Célula Fotovoltaica de Arseneto de Gálio

O composto arseneto de gálio permite a criação das células fotovoltaicas com até 28% de eficiência. Contudo, o custo de fabricação desse composto inviabiliza o seu uso terrestre, que foi utilizado apenas em aplicações espaciais para a exploração do sistema solar.

Ao se afastar do sol a irradiância solar diminui, tornando-se necessário o uso de maior área de captação, caso se utilizasse as tecnologias comerciais comuns.

Célula Fotovoltaicas Híbrida

As células fotovoltaicas híbridas são compostas por silício cristalizado e uma (ou várias) camada de película fina, geralmente silício amorfo. Desta maneira, são capazes de aproveitar um amplo espectro da radiação solar, se tornando mais eficientes na conversão da radiação.

Devido ao fato de serem constituídas de mais de uma tecnologia, possuem custo de produção mais elevado, mas a eficiência fica em torno de 18,5%, o que não torna o seu preço convidativo.

Célula Fotovoltaica Orgânica

As células fotovoltaicas orgânicas foram apresentadas em 1991 pelo professor suíço Michael Gratzel, por isso são também chamadas de células Gratzel. As células orgânicas captam energia do sol de maneira semelhante à forma como as plantas realizam a fotossíntese, através de um ‘corante’ orgânico, por isso o nome.

A produção das células não é complicada, mas há problemas de estabilidade dos materiais utilizados para permitir a captação dos elétrons liberados pelo efeito fotovoltaico.

 

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 têm 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.