Glauco Diniz Duarte Diretor – como funciona placa fotovoltaica

Segundo o Dr. Glauco Diniz Duarte, algumas aplicações da energia fotovoltaica nos últimos 50 anos incluem o fornecimento de energia em locais remotos, para comunicação, estações atmosféricas e bombeamento de água em regiões áridas; para fornecer energia para produtos tais como calculadoras e refletores de jardim; e para o fornecimento de energia para satélites e estações espaciais. Hoje, essa tecnologia chegou às nossas casas através da geração distribuída, que permite ao consumidor gerar a própria energia elétrica. Com a disseminação da tecnologia é natural que surjam dúvidas. Neste artigo explicamos como funciona a tecnologia e os diferentes materiais utilizados.

Como funciona o módulo fotovoltaico?
Simplificando, um módulo fotovoltaico é composto de unidades menores chamadas de células fotovoltaicas. As células funcionam através da absorção de fótons, elementos de energia presentes na luz solar. Os fótons absorvidos excitam elétrons que fluem através das células fotovoltaicas, gerando eletricidade.

Cada célula fotovoltaica é basicamente um sanduíche feito de duas fatias de material semicondutor, normalmente silício. Durante a sua fabricação, o silício é dopado (adição intencional de impurezas em um material semicondutor com a finalidade de alterar suas propriedades elétricas) com outros materiais dando para cada fatia do material uma carga elétrica positiva ou negativa. Essa diferença de carga de diferentes polaridades da origem a um campo elétrico, que é essencial para o funcionamento da célula fotovoltaica.

Mais especificamente, a fatia superior da célula é dopada com o elemento fósforo, que adiciona elétrons extras ao material, dando àquela camada uma carga negativa chamada de “tipo N”. Já a fatia inferior da célula é dopada com o elemento boro, que resulta em menos elétrons, de carga positiva chamada de “tipo P”. Essa diferença de polaridade dá origem ao campo elétrico na junção das camadas de silício.

Outros componentes da célula transformam os elétrons excitados pelos fótons absorvidos em corrente elétrica e, consequentemente, em energia. Condutores metálicos sobre as células conectam uma célula a outra coletando os elétrons e os transferindo para os cabos. Assim, os elétrons podem fluir como em qualquer outra fonte de eletricidade.

Quais tecnologias de células fotovoltaicas existem?
Os módulos fotovoltaicos de silício mono e policristalino são as tecnologias mais consolidadas no mercado atualmente. Embora essas tecnologias sejam as dominantes, outros tipos de células fotovoltaicas foram desenvolvidos e competem em termos de custo de produção reduzido, tais como as células de filmes finos baseadas no uso de Si amorfo, Telureto de cádmio (CdTe) ou Disseleneto de Cobre Índio e Gálio (CIGS), ou em termos de eficiência, tais como células baseadas no uso de componentes das famílias III-V da tabela periódica.
Célula fotovoltaica de Silício monocristalino

A imagem abaixo mostra a seção de uma célula fotovoltaica de silício cristalino. Como foi mencionado no tópico anterior, sua estrutura apresenta duas camadas de cargas diferentes, uma “tipo N” e a outra “tipo P”.

O método de fabricação das células de Si monocristalino é chamado de Czochralski, um processo no qual um monocristal semente dá origem a um tarugo de Si monocristalino. A eficiência dos módulos produzidos com essas células fica em torno de 17% e a vida útil, considerando 80% da eficiência inicial, de 25 anos. Recentemente pesquisadores japoneses da Kaneda Corp. atingiram o recorde de eficiência de 26,3%, um avanço se considerarmos o limite teórico de 29%.

Na fabricação das células fotovoltaicas de Si policristalino, o silício fundido é vertido em um molde e então resfriado, resultando em lingotes de Si com grandes grãos granulares (tipicamente de 0,3 mm de diâmetro). A vantagem é que a fabricação dessa célula é de menor custo e maior produtividade quando comparada as monocristalinas. Já o seu processamento é similar ao das células monocristalinas. Essa tecnologia apresenta menor eficiência que os módulos monocristalinos (em torno de 16%), menor preço e mesma expectativa de vida, 25 anos.

Outra diferença está no formato, as células policristalinas são retangulares e as monocristalinas apresentam um chanfro nos cantos.

Tecnologias de filmes finos
Módulos fotovoltaicos de filmes finos são normalmente produzidos aplicando diferentes camadas de material semicondutor em diferentes substratos, tais como plásticos ou vidro. A eficiência dessas células é normalmente inferior à do Si cristalino. Assim, para gerar a mesma quantidade de energia é necessária uma maior área. As quatro tecnologias mais conhecidas são silício amorfo, Telureto de cádmio (CdTe), Disseleneto de Cobre Índio e Gálio (CIGS) e células fotovoltaicas orgânicas.

Célula fotovoltaica de Silício amorfo
Normalmente essa célula fotovoltaica é produzida através da deposição química em fase vapor. A camada com o material fotovoltaico pode ser depositada em substratos como o vidro e substratos flexíveis tais como chapas metálicas finas ou plásticos, permitindo produção contínua e diversidade de uso. Nesse tipo de célula, é possível absorver a radiação solar de forma mais eficiente com camadas de diferentes materiais semicondutores. Devido a presença dessas camadas ela é chamada de multijunção.

Célula fotovoltaica baseadas em CdTe
Finas camadas de CdTe são suficientes para absorver a maior parte da luz incidente. Como há menos material, os custos são minimizados. Atualmente a empresa First Solar produz módulos com esse tipo de material que tem eficiência de até 16,5%.

Célula fotovoltaica CIGS
Esse tipo de célula fotovoltaica é composta de cobre, índio, gálio e selênio – Cu(In,Ga)Se2. Por ser uma tecnologia de filmes finos, há um ganho relacionado a quantidade de material empregado. Células desse tipo já atingiram 19,5% de eficiência e os módulos eficiência de 13,4%.

Célula fotovoltaica orgânica
A tecnologia de filmes orgânicos tem o potencial de gerar energia a baixo custo. Atualmente esse tipo de célula fotovoltaica é comercializado pela startup brasileira Sunew e tem aplicação no revestimento de fachadas de edifícios. As células podem atingir eficiências próximas de 11%. A maior barreira para a tecnologia é a sua vida útil reduzida e a eficiência limitada.

Célula fotovoltaica Perovskita
A célula fotovoltaica perovskita contém um composto de estrutura de mesmo nome, normalmente um trialeto organometálico. Esse tipo de célula fotovoltaica é sem dúvidas a tecnologia mais pesquisada nos laboratórios do mundo inteiro devido a habilidade de absorver a luz incidente em quase todos os comprimentos de onda. Em laboratório já apresenta eficiências maiores que 20% e relativa facilidade de fabricação. Para a tecnologia ser comercializada ainda existem alguns desafios tais como a pequena vida útil e a degradação em presença de umidade.

Célula fotovoltaica de componentes III-V
Materiais das famílias III-V da tabela periódica tais como Arsenieto de gálio (GaAs), Fosfato de Índio (InP) e antimônio de gálio (GaSb) são excelentes para células fotovoltaicas de alta eficiência. As células podem ser de junção simples ou de multijunção. As maiores eficiências confirmadas em células de junção simples foram 25,8% para o GaAs e 21,9% para InP. A desvantagem desses materiais é o alto custo, baixa resistência mecânica e a redução severa da eficiência em caso da presença de impurezas. Esse tipo de célula foi desenvolvido primeiramente para aplicações espaciais, onde o alto custo é justificado devido a maior eficiência. Já as células multijunção tem eficiências ainda maiores por ter a capacidade de absorver uma faixa maior do espectro de luz. Um marco atingido em 1990 foi uma célula de GaAs/GaSb com eficiência superior a 30%.

Célula fotovoltaica HIT
Essa célula fotovoltaica chamada de Heterojunção com Filmes Finos Intrínsecos (HIT) foi desenvolvida pela Sanyo, empresa adquirida pela Panasonic em 2009, e conta com a deposicao de Si amorfo dos dois lados de um wafer de Si cristalino. Isso resulta em células com eficiências maiores que 21% e módulos com eficiência de até 17,3%. A fabricante afirma que essa tecnologia tem maior performance em regiões onde as temperaturas ultrapassam frequentemente 25ºC, produzindo mais energia quando se comparada às tecnologias de Si cristalino.