Célula fotovoltaica: tudo o que você precisa saber

Veja como funciona uma célula fotovoltaica e saiba como ela é a chave para a geração de energia solar.

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. Para isso, as células fotovoltaicas são produzidas a partir de materiais semicondutores, os quais podem ser de diferentes tipos.

Para fabricar as famosas placas solares, aquelas que são vistas nos telhados das casas que utilizam energia fotovoltaica, são utilizadas várias células solares interligadas em série. No termo técnico, as placas são conhecidas como módulos fotovoltaicos, e o conjunto deles forma o que chamamos de painel solar.

Existem diversos tipos de células fotovoltaicas, que são classificadas pelo material e refinamento usados. Os principais tipos de células fotovoltaicas são produzidos em silício cristalizado, podendo ser monocristalino [mono-Si] ou policristalino [multi-Si].

A maior parte das grandes usinas fotovoltaicas e dos projetos de geração distribuída instalados em residências e empresas no Brasil utiliza módulos fotovoltaicos com células de silício cristalino, em especial a do tipo policristalino. Recentemente, entretanto, os módulos monocristalinos estão se tornando tendência devido à queda de seus preços e liderando o volume comercializado no Brasil.

Os fabricantes de módulos solares oferecem modelos com diferentes quantidades de células fotovoltaicas, sendo os mais comuns, atualmente, fabricados com 60, 66 e 72 células ou, no caso de módulos solares Half-Cell, com 120, 132 e 144 “meias células”.

Como as células são as responsáveis por converter a luz do sol em energia elétrica (a chamada energia solar fotovoltaica), quanto mais células um módulo fotovoltaico possuir, mais energia ele será capaz de gerar.

Da célula fotovoltaica ao sistema fotovoltaico

Conforme mencionado anteriormente, uma placa solar fotovoltaica é composta por dezenas de células fotovoltaicas ordenadas e conectadas em série.

No entanto, um único módulo fotovoltaico ainda não é suficiente para gerar toda a energia consumida em uma casa ou empresa, sendo necessárias algumas poucas unidades (para residências) ou até mesmo dezenas deles (para grandes empresas e indústrias).

A quantidade final de módulos, assim como a dos outros equipamentos do kit de energia solar, irá depender do consumo elétrico que precisa ser atendido e de outros fatores técnicos ligados a cada imóvel e região.

Então, para gerar energia elétrica suficiente, que consiga alimentar toda a sua casa ou empresa, é necessário combinar esses painéis em um arranjo fotovoltaico e instalar os outros componentes do sistema fotovoltaico.

Como funciona uma célula fotovoltaica

As células fotovoltaicas funcionam a partir do efeito fotovoltaico, fenômeno constatado pela primeira vez em 1839, na França, pelo físico Alexandre Edmond Becquerel, que fazia experimentos com uma bateria composta por eletrodos de platina e cobre oxidado e imersa em solução eletrolítica ácida.

Devido às suas semelhanças, o efeito fotovoltaico é comumente confundido com o efeito fotoelétrico, mas tratam-se de processos diferentes, embora ambos sejam originados a partir dos fótons de luz presentes nas ondas eletromagnéticas da energia luminosa do sol.

O efeito fotoelétrico é a emissão de elétrons dos átomos de um material, especialmente metálicos, quando ele é exposto à radiação eletromagnética de frequência alta o suficiente para que seus fótons consigam energizar os elétrons e liberá-los do material (essa frequência varia de material para material).

Já o efeito fotovoltaico é o deslocamento de elétrons entre a banda de valência e a banda de condução de materiais semicondutores ao contato com os fótons de luz de determinada frequência, processo que gera uma tensão elétrica. 

No entanto, em sua forma original, os materiais semicondutores tendem a permanecer neutros, pois os elétrons ejetados de um átomo são prontamente absorvidos por outro, o que é chamado de efeito de recombinação.

Dessa forma, para a fabricação de uma célula solar fotovoltaica de silício, o semicondutor é misturado com outros elementos químicos que modificam a sua estrutura original. Esse processo é chamado de dopagem.

Com o uso de diferentes elementos, é possível criar dois tipos distintos do mesmo material semicondutor, um com átomos negativamente carregados (com excesso de elétrons), chamado de Tipo-N, e outro com átomos positivamente carregados (com falta de elétrons ou “buracos”), chamado de Tipo-P.

A célula solar fotovoltaica convencional é fabricada a partir da união desses dois tipos do semicondutor, com o Tipo-N sobre o Tipo-P, para que, ao receberem os fótons da luz, os elétrons da camada negativa migrem para a camada positiva, criando a corrente elétrica que chamamos de energia solar fotovoltaica.

É importante destacar que o fluxo contínuo de elétrons entre as camadas negativa e positiva do semicondutor não acontece naturalmente, pois na área de junção forma-se um campo elétrico que interrompe esse processo. Então, as camadas são conectadas externamente para permitir a corrente contínua de elétrons. 

Para resumir de forma simples, podemos dizer que a célula fotovoltaica funciona a partir da incidência dos raios do sol, que movimenta os elétrons do seu material semicondutor, gerando a corrente elétrica que é captada pelo circuito interno do painel solar. Para entender melhor como funciona a célula fotovoltaica, veja como funciona uma placa solar.

Quais são os tipos de células fotovoltaicas?

Existem diferentes materiais e técnicas utilizadas na fabricação de células fotovoltaicas.

A primeira geração de células solares começou a ser desenvolvida nos anos 50 e utiliza o silício cristalizado como material semicondutor, sendo a tecnologia ainda mais empregada no mundo por apresentar as maiores eficiências entre as células disponíveis comercialmente. 

A partir dos anos 90, uma segunda geração de células baseada na tecnologia de filme fino começou a ser desenvolvida, mas sem conseguir ganhar espaço no mercado devido às menores eficiências.

Nos últimos anos, diversos estudos sobre novos materiais e técnicas de fabricação criaram uma terceira geração de células fotovoltaicas com maior eficiência. Contudo, essas tecnologias ainda não conseguiram alcançar resultados satisfatórios para a produção em escala comercial.

Veja a lista de todos os tipos de células solares fotovoltaicas e como cada um funciona:

• 1 Células solares de 1ª geração - Silício cristalino (c-SI)
• 1.1 Célula fotovoltaica de silício monocristalino (mono-Si)
• 1.2 Célula fotovoltaica de silício policristalino (multi-Si)
• 2. Células solares de 2ª geração - Filme fino (Thin-Film)
• 2.1 Célula fotovoltaica de silício amorfo (a-Si)
• 2.2 Célula fotovoltaica de seleneto de cobre índio (CIS)
• 2.3 Célula fotovoltaica de disseleneto de cobre, índio e gálio (CIGS)
• 2.4 Célula fotovoltaica de telureto de cádmio (CdTe)
• 2.5 Célula fotovoltaica de arseneto de gálio (GaAs)
• 2.6 Células fotovoltaicas de multijunção
• 3. Células solares de 3ª geração
• 3.1 Células solares PERC
• 3.2 Célula fotovoltaica híbrida de heterojunção (HIT/HJT)
• 3.3 Célula fotovoltaica de peroviskta
• 3.4 Célula fotovoltaica orgânica (OPV)
• 3.5 Célula sensibilizada por corante (DSSC)

Células fotovoltaicas de silício cristalino: 1ª geração

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 chance de que ele utilize o silício cristalino como base para as suas células.

O silício é o segundo elemento mais abundante na natureza, mas se apresenta na maior parte misturado a outros elementos. Sua maior concentração natural está no quartzo, material que é processado para obter o silício purificado utilizado na fabricação das células fotovoltaicas.

Existem dois graus de purificação do silício: metalúrgico (98%) e grau semicondutor (99,9999%), ambos derivados de processos complexos, que são os principais responsáveis pelo encarecimento da tecnologia fotovoltaica. 

As células de silício cristalino são fatias de lingotes de silício purificado tratadas quimicamente para que possam produzir energia elétrica com a luz do sol por meio do efeito fotovoltaico.

Também chamadas de células solares convencionais, elas são compostas por uma lâmina de silício purificado dopado com boro e fósforo. A parte do Tipo-N, isto é, dopada em fósforo, é a que fica exposta ao sol, enquanto a do Tipo-P, dopada em boro, fica na parte de baixo da célula e é maior que a Tipo-N.

As células solares de silício cristalino absorvem os raios de luz em uma faixa estreita do espectro de radiação, pois a energia dos fótons com frequências mais altas ou mais baixas da utilizada no efeito fotovoltaico não consegue ser aproveitada e é convertida em calor, o qual diminui a eficiência da célula.

Outro fator que diminui a eficiência da célula de silício são os seus contatos frontais, necessários para a passagem da corrente de elétrons entre as camadas negativa e positiva, mas que causam sombreamento e reflexão.

Então, para obter a relação de máxima eficiência em uma célula solar de silício, é preciso que ela tenha o máximo possível de contatos frontais ocupando a menor área possível.

As células de silício também têm seu aproveitamento reduzido devido às perdas pela recombinação natural de elétrons do semicondutor, pelo gradiente elétrico formado na área de junção das camadas (P e N) e pela resistência da ligação em série dentro dos módulos. 

No geral, apenas 13% da radiação solar que atinge as células solares de silício consegue ser aproveitada para produção elétrica.

Célula de silício monocristalino (mono-Si)

Células fotovoltaicas de silício monocristalino são o tipo mais eficiente pois são feitas a partir de um único cristal de silício. Por isso o prefixo mono, originado do grego e que significa único. 

O silício purificado se encontra em um estado policristalino e precisa ser monocristalizado por um processo de cultura de cristais antes de ser utilizado na fabricação da célula fotovoltaica de silício monocristalino.

A forma mais utilizada para isso é o Método Czochralski, batizado em homenagem ao seu criador, o químico polonês Jan Czochralski.

Em um forno de fundição chamado de cadinho de quartzo, o silício purificado é derretido novamente a uma temperatura aproximada de 1420°C. Nesse mosto de silício, é adicionada uma semente de monocristal de silício. 

Então, à medida que o cadinho gira lentamente e o mosto vai esfriando, a semente de cristal de silício é vagarosamente erguida e orienta os átomos de silício do mosto, que se cristalizam de forma única.

Assim, é formado um novo monocristal, que mede cerca de 30 cm de diâmetro e pode chegar a vários metros de comprimento.

Esse lingote cilíndrico de silício monocristalino é cortado para formar uma barra de forma quadrada que, depois, será fatiada em lâminas (wafers) com cerca de 0.3 mm de espessura, as quais formam as células fotovoltaicas.

Em seguida, as lâminas passam pelo processo de dopagem para criação das camadas Tipo-P e Tipo-N e recebem uma camada antirreflexiva e os contatos frontais e traseiros. 

Por fim, são feitos cortes nos cantos das células, que podem ficar com uma forma octagonal ou redonda para evitar a ocorrência de curtos-circuitos. 

As células solares de mono-Si, assim como os painéis solares que as utilizam, são facilmente identificadas por apresentarem uma cor uniforme. Células de silício monocristalino apresentam eficiência de 15% a 18%.

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 solares policristalinas também são feitas de silício purificado, no entanto seu processo de fabricação é levemente diferente.

O silício purificado é derretido em um cadinho de quartzo e moldado em forma de lingotes. A partir de processos de aquecimento e resfriamento, o bloco se torna sólido e consegue atingir uma formação cristalina bastante homogênea. 

Ao contrário do processo para formação do monocristalino, aqui o silício se cristaliza livremente, o que cria vários cristais, por isso é chamado de policristalino.

Exatamente por isso, as células policristalinas são um pouco menos eficientes que as monocristalinas, pois os múltiplos cristais fazem com que os elétrons dos átomos se recombinem mais facilmente, aumentando a perda por recombinação.

As etapas seguintes da fabricação de células policristalinas são exatamente iguais às das monocristalinas, isto é, corte do lingote e das lâminas, dopagem e aplicação da camada antirreflexiva e dos contatos.

Uma outra diferença entre as células mono e policristalinas é que estas não precisam do corte final de suas bordas e costumam ser aplicadas aos módulos em sua forma quadrada. 

Devido ao seu processo de fabricação mais simples, as células de silício policristalino possuem custos mais baixos e, até pouco tempo atrás, eram o tipo mais comercializado em painéis fotovoltaicos no mundo.

No entanto, o aperfeiçoamento dos processos de fabricação de células monocristalinas trouxe uma queda de seus custos, e desde 2019 elas vêm ganhando espaço por apresentarem maior eficiência. 

A eficiência de células de silício policristalino é de 13% a 15%.

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.

Células fotovoltaicas de filme fino (thin-film): 2ª geração

Nos anos 90, uma segunda geração de células fotovoltaicas baseadas na tecnologia de película fina, ou filme fino, começou a ser desenvolvida como uma opção mais barata para as células de silício cristalizado, mas sem conseguir alcançar o sucesso comercial esperado.

Os principais motivos foram as desvantagens das células de filme fino (menor eficiência e vida útil) e a queda dos custos das células de silício cristalino, resultado da sua popularização e da evolução dos meios de produção da tecnologia.

Mesmo assim, as células de película fina apresentam algumas vantagens que justificam a continuação de suas pesquisas, como a menor quantidade de matéria-prima e energia utilizadas na sua fabricação e a maior liberdade de aplicações, como células solares flexíveis e transparentes.

As células fotovoltaicas de filme fino são fabricadas de uma forma completamente diferente das tradicionais células de silício cristalino. Nelas, utiliza-se uma base, que pode ser de vidro, metal ou plástico, na qual é depositado o material semicondutor por meio de diferentes processos, como vaporização, pulverização ou mesmo impressão.

Os melhores painéis de filme fino possuem eficiência de conversão de 2% a 3% mais baixa que os de silício cristalino. A tecnologia é muito utilizada em pequenas células fotovoltaicas, como as de calculadoras de escritório. 

Telureto de cádmio (CdTe), seleneto de cobre gálio índio (CIGS) e silício amorfo (a-Si) são os três semicondutores mais utilizados em células de filme fino. 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)

O silício amorfo (sem forma) possui uma rede irregular em vez de uma estrutura cristalina. Sua fabricação é feita a partir do silano gasoso (SiH4), que, ao ser aquecido em reatores de plasma, forma o silício hidrogenado (a-Si:H).

O processo de dopagem do silício amorfo também é feito com o uso de gases, sendo o hidreto de boro (B2H6) para a camada Tipo-P e a fosfina (PH3) para a camada Tipo-N.

A fabricação da célula de silício amorfo é feita a partir de um substrato (como vidro, metal ou plástico) em que é depositada uma finíssima camada de cada tipo do material dopado e, entre elas, uma terceira camada do silício intrínseco (não dopado, Tipo-I), necessária para captar a passagem de elétrons entre as partes positiva e negativa.

As camadas de silício amorfo podem ser depositadas de qualquer um dos lados do substrato, frontal ou traseiro, apenas invertendo a sua ordem (Tipo-P; Tipo-I; Tipo-N) ou (Tipo-N; Tipo-I; Tipo-P), respectivamente.

A eficiência das células de silício amorfo é baixa e, devido à hidrogenação do material, apresenta uma queda durante o primeiro ano de uso em razão da degradação induzida pela luz, conhecida como efeito Staebler-Wronski. 

Células de silício amorfo apresentam eficiência de 5% a 9%.

Uma tática utilizada para aumentar a eficiência das células de silício amorfo é o empilhamento de camadas Tipo-P e N dopadas com diferentes materiais, como o germânio (a-SiGe), que permite à célula captar uma maior parte da radiação solar, embora aumente o custo de produção da tecnologia. São as chamadas células de multijunção.

Célula de seleneto de cobre índio (CIS)

As células fotovoltaicas de seleneto de cobre índio (CIS) são fabricadas a partir de uma fina camada de cobre índio e selênio (CuInSe2) depositada sobre um substrato, que pode ser vidro ou metal flexível.

Em primeiro lugar, o substrato é coberto por uma fina camada de molibdênio (Mo) por meio de uma tecnologia de pulverização catódica.

A camada de CIS, do Tipo-P, pode ser aplicada pela vaporização simultânea de CuInSe2 em uma câmara de vácuo ou pela pulverização de cada um dos elementos em camadas individuais.

Para a camada frontal da célula, do Tipo-N, é utilizado o óxido de zinco dopado com alumínio (ZnO:Al). Entre elas, é aplicada uma camada de sulfato de cádmio dopado com alumínio (CdS:Al), que ajuda a reduzir as perdas provocadas pela combinação entre o óxido de zinco e o CIS.

As células CIS não apresentam degradação pela luz igual às de silício amorfo, possuem boa durabilidade e a melhor eficiência entre as células de filme fino, entre 11% e 14%. No entanto, sua operação é instável em ambientes úmidos e quentes, o que demanda uma boa selagem de seus módulos.

Célula de disseleneto de cobre índio e gálio (CIGS)

As células de disseleneto de cobre índio é gálio (CIGS) são constituídas pelos mesmos elementos das CIS mais a adição do gálio (Ga), o qual forma uma liga com o índio, permitindo obter melhores desempenhos. No entanto, sua eficiência é um pouco menor: 10%.

Na fabricação das células CIGS, a camada de Cu(In, Ga)Se2 - disseleneto de cobre, índio e gálio - é aplicada sobre o substrato previamente revestido com o molibdênio. Sobre ela, são aplicadas, respectivamente, as camadas de sulfato de cádmio (CdS:Al) e óxido de zinco dopado com alumínio (ZnO:Al).

Célula de telureto de cádmio (CdTe)

Nas células fotovoltaicas de telureto de cádmio (CdTe), o substrato de vidro é revestido pela parte traseira com uma camada de Óxido Transparente Condutivo (TCO), que age como contato frontal.

As camadas de semicondutor Tipo-N, o sulfeto de cádmio (CdS), e de semicondutor Tipo-P, o telureto de cádmio (CdTe), podem ser aplicadas por meio de silk screen (como uma impressão), deposição galvânica ou pirólise pulverizada.

Da mesma forma que as células de CIS/CIGS, as células solares de CdTe não se degradam sob a luz. Porém, sua fabricação apresenta riscos ambientais devido à toxicidade do cádmio e necessita de processos rigorosos de controle.

Embora as células solares de CdTe já tenham alcançado eficiência de 16,5% em laboratório, a sua eficiência em módulos comercializados é de 6% a 9%.

Célula solar de arseneto de gálio (GaAs)

As células solares de arseneto de gálio (GaAs) apresentam a maior eficiência entre as células fotovoltaicas de filme fino de junção única, podendo ultrapassar os 30%.

Também possuem boas propriedades elétricas e desempenho, além de serem mais resistentes ao calor.

Tudo isso se deve ao semicondutor GaAs, que tem propriedades eletrônicas muito melhores que as do silício. 

No entanto, o oneroso processo de fabricação das células de GaAs não permitiu a sua popularização, e elas acabaram ficando restritas às indústrias espacial e militar, que as utilizam para a construção de satélites, espaçonaves e aeronaves.

Células solares de multijunção

Uma célula fotovoltaica de multijunção nada mais é que uma célula de filme fino com múltiplas camadas Tipo-P e N fabricadas ou dopadas com diferentes tipos de materiais semicondutores.

Dessa forma, a célula obtém uma maior eficiência ao aproveitar uma parte mais ampla do espectro eletromagnético da radiação solar, pois cada material absorve os fótons de ondas de diferentes frequências, tanto altas como baixas.

Existem duas técnicas de fabricação de células multijunção. A primeira é o empilhamento mecânico, no qual cada camada (tipo-P e N) é tratada como um dispositivo separado e recebe contatos próprios para captação dos elétrons. 

A segunda é a célula multijunção com camadas de semicondutores ligadas “em série”, de modo que toda a célula possui apenas dois terminais na parte frontal e traseira. Essa configuração é chamada de monolítica.

Ambas as formas de criação de células multijunção demandam processos complexos que tornam a fabricação desse tipo de tecnologia muito mais complexa e cara.

As maiores eficiências por células solares em laboratório foram alcançadas com células multijunção. Uma célula com quatro junções pode ultrapassar os 46,0% de eficiência.

Como se trata de células de filme fino, muitos autores consideram as células solares de multijunção como sendo parte da segunda geração, enquanto outros consideram como sendo parte da terceira.

Células solares de 3ª geração

As células fotovoltaicas de terceira geração, também conhecidas por última geração, são as mais recentes na indústria e utilizam tecnologias ainda em desenvolvimento e/ou com pouco espaço no mercado de módulos fotovoltaicos.

Entre as várias tecnologias em desenvolvimento, as de maior destaque são as células PERC, células híbridas de heterojunção, células de perovskita, células orgânicas e células sensibilizadas por corantes. Saiba mais sobre elas abaixo. 

Célula solar PERC

As células fotovoltaicas PERC (Passivated Emitter and Rear Contact, em inglês, ou Emissor Passivado e Contato Traseiro, na tradução livre) são células de silício cristalino mais finas e fabricadas com uma camada adicional de passivação.

Com os wafers (lâminas) de silício mais finos (menores do que 200 micrômetros), os fabricantes conseguem economizar matéria-prima e reduzir os custos de fabricação das células de silício.

No entanto, a menor espessura do material semicondutor reduz a eficiência da célula, assim como acontece com as células de filme fino, devido à recombinação de elétrons na área de junção.

Para resolver esse problema, as células PERC contam com uma camada de passivação muito fina na parte traseira que reduz a velocidade de recombinação de elétrons na superfície do silício, aumentando a sua eficiência.

Além disso, a camada com passivação reflete a luz no fundo da célula e faz com que os raios solares atravessem outra vez o silício, o que aumenta a captação de elétrons e, consequentemente, a geração de energia do dispositivo.

A tecnologia PERC tem conquistado grande interesse dos fabricantes de módulos fotovoltaicos e vem ganhando cada vez mais espaço no mercado mundial. No Brasil, a maioria dos módulos fotovoltaicos importados já são de células de silício PERC mono ou policristalinas.

Célula fotovoltaica híbrida de heterojunção (HJT/HIT)

A célula solar de heterojunção foi desenvolvida há 20 anos pela antiga empresa Sanyo (depois adquirida pela Panasonic), que a batizou como Tecnologia de Camada Intrínseca de Heterojunção (Heterojunction Intrinsic-layer Technology ou HIT, em inglês).

Com a queda da patente, em 2010, outras empresas de módulos fotovoltaicos começaram a empregar essa técnica, que ganhou o nome popular de Tecnologia de Heterojunção (HeteroJunction Technology ou HJT).

As células solares HIT/HJT nada mais são do que células fotovoltaicas de silício cristalino desenvolvidas com camadas de silício amorfo, uma pura (intrínseca) e duas dopadas, nas suas duas superfícies.

Ou seja, é a adição do mesmo tipo de silício amorfo utilizado nas células de filme fino, que agrega a sua eficiência à do silício cristalino.

A fabricação da célula de heterojunção é feita pela deposição do silício amorfo sobre a célula de silício cristalizado por meio de um processo chamado de Plasma-Enhanced Chemical Vapour Deposition (Deposição de Vapor Químico Intensificada por Plasma, na tradução livre).

Embora existam diferentes tipos de células de heterojunção, todas as células possuem pelo menos uma camada de silício cristalino Tipo-N coberta em cada lado por finas camadas de silício amorfo intrínseco (Tipo-I) e camadas de silício amorfo dopado Tipo-P e N.

Além do ganho de eficiência com as camadas de silício amorfo, as células fotovoltaicas de heterojunção também apresentam um coeficiente de temperatura menor, isto é, sofrem menos influência com o aumento da temperatura e funcionam melhor que células tradicionais em lugares quentes.

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.

Porém, no momento, o custo de módulos fotovoltaicos com células de heterojunção é mais elevado devido à maior quantidade de matéria-prima utilizada e processos de fabricação mais complexos.

Célula solar de perovskita

A perovskita é um mineral de óxido de cálcio e titânio com estrutura cristalina e fórmula química CaTiO3, descoberta nos Montes Urais da Rússia pelo mineralogista alemão Gustav Rose em 1839.

O termo perovskita foi batizado em homenagem ao mineralogista russo Count Lev Alexevich von Perovski, que descobriu a classe de óxidos, nitretos, haletos e ternários com a mesma estrutura cristalina do mineral perovskita. Esses materiais apresentam diversas propriedades físicas, entre elas, a supercondutividade.

Existem perovskitas totalmente inorgânicas, mas as utilizadas na fabricação de células fotovoltaicas são híbridas, isto é, também são compostas por componentes orgânicos. 

A família de perovskitas com capacidade de produzir o efeito fotovoltaico apresenta uma estrutura composta por um cátion inorgânico (chumbo ou estanho), um cátion orgânico e um halogênio, que pode ser iodo, cloro ou bromo.

Células solares à base de perovskita são uma grande aposta na indústria fotovoltaica por apresentarem baixos custos de produção e terem alcançado uma alta eficiência em poucos anos de estudos, a qual já ultrapassa os 25%, maior que a de células de silício cristalino.

Os semicondutores de perovskita alcançam maior eficiência pois conseguem reagir a uma gama mais ampla de frequências do espectro eletromagnético dentro da luz visível.

Além disso, oferecem as mesmas vantagens dos semicondutores utilizados em células de filme fino, como flexibilidade, semitransparência e leveza.

Entretanto, ainda existem muitos desafios a superar para que a tecnologia de células fotovoltaicas de perovskita consiga chegar ao mercado, como a curta durabilidade e baixa estabilidade das células em ambientes quentes e úmidos.

Outro grande problema é a presença do chumbo dentro da estrutura da perovskita, o qual é responsável pela sua alta eficiência, mas que se trata de um material altamente tóxico e perigoso se liberado no meio ambiente.

Célula fotovoltaica orgânica (OPV)

Células solares orgânicas (OPV) são constituídas a partir de polímeros conjugados, que apresentam propriedades elétricas e ópticas similares aos metais e aos semicondutores.

A célula fotovoltaica orgânica mais simples é do tipo monocamada, que apresenta eficiência muito baixa, apenas 0,1%. Já as células orgânicas fabricadas por diferentes técnicas de heterojunção conseguiram alcançar eficiência de até 18% em laboratório.

Células orgânicas simples são compostas por um eletrodo transparente (para absorver a luz incidente), uma camada fotossensível (polímero conjugado ou molécula conjugada colocada entre os eletrodos), chamada de camada ativa, e um eletrodo metálico. As camadas externas são formadas por dois eletrodos condutores.

Assim como nas células de filme fino, as células orgânicas também têm o seu desempenho influenciado pela espessura das camadas (quantidade) dos materiais semicondutores. Quanto mais finas, menos energia será gerada, além de poder comprometer o funcionamento do dispositivo.

Dentre as técnicas utilizadas na fabricação de células orgânicas, encontram-se a impressão por serigrafia, impressão por lâmina, pintura com pincel, impressão por jato de tinta, rotogravura, flexografia e revestimento por pulverização.

As células solares orgânicas podem ser flexíveis, possuem baixo custo de produção e menor impacto ao meio ambiente, mas apresentam instabilidade na operação devido à degradação ambiental, sem uma proteção eficaz.

Célula solar sensibilizada por corante (Dye-sensitized solar cell – DSSC)

As células solares sensibilizadas por corante (DSSC), também conhecidas como células Gratzel, são um subgrupo de células fotovoltaicas de filme fino surgido a partir dos estudos do químico suíço Michael Grätzel e do químico americano Brian O’Regan.

A tecnologia se baseia na geração elétrica por meio de corantes orgânicos iluminados em células eletroquímicas e é composta por um ânodo fotossensibilizado fundamentado em um material semicondutor, um eletrólito e um cátodo fotoeletroquímico. 

Células DSSC são tipicamente construídas a partir de um substrato com alta condutividade e mais de 80% de transparência, sobre o qual são aplicadas duas folhas de materiais transparentes condutores que agem como coletores de corrente. Junto a essa estrutura, é depositado o semicondutor e catalisador.

Entre as vantagens das células DSSC estão a resistência mecânica, composição híbrida (combinam materiais inorgânicos e orgânicos), fabricação simples e uso de matéria-prima barata.

Também são mais leves que as células fabricadas em silício cristalino, podem ser produzidas em diferentes cores de acordo com o corante aplicado e utilizar substratos que as tornem flexíveis.

Células sensibilizadas por corante apresentam uma eficiência média entre 8 e 14% e ganham competitividade pelo seu processo de fabricação simples e devido aos baixos custos.

Pelo lado das desvantagens, apresentam instabilidade em climas adversos, perigo de toxicidade e corrosão quando fabricadas com chumbo e uma baixa vida útil – apenas 10 anos (células de silício duram ao menos 25 anos). 

Veja também os tipos de painéis solares fotovoltaicos.

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. Com isso, foi possível fabricar as células em larga escala, reduzindo seus custos de produção.

O gráfico abaixo mostra o declínio do preço das células fotovoltaicas de silício cristalino.

A eficiência da célula fotovoltaica

A eficiência de uma célula fotovoltaica é o percentual de energia elétrica útil que ela é capaz de produzir a partir da energia solar que incide sobre ela. O cálculo da eficiência de células fotovoltaicas é feito em teste de laboratório com condições padronizadas que permitem a comparação entre os diferentes modelos.

Os valores utilizados no teste, chamados de Condições Padrão de Teste (Standard Test Conditions – STC), são:

• temperatura da célula = 25°C;
• irradiância = 1000 W/m²;
• massa de ar (Air Mass – AM) = 1.5.

Dessa forma, quanto maior for a eficiência de uma célula solar fotovoltaica, mais energia ela será capaz de gerar por m².

Como abordamos anteriormente, alguns modelos de células fotovoltaicas são mais eficientes do que outros. Enquanto a célula fotovoltaica de película fina oferece menos eficiência, as de silício cristalizado são excelentes nesse aspecto.

Com as constantes melhorias tecnológicas e de processos industriais, a eficiência da célula continua aumentando. Veja o gráfico abaixo da National Renewable Energy Laboratory (NREL) que mostra os avanços das diversas tecnologias fotovoltaicas.

Comparação entre as eficiências dos diferentes tipos de célula fotovoltaica

Uma célula solar fotovoltaica é capaz de aproveitar certo percentual de radiação solar. Isso porque alguns fatores, como a recombinação de elétrons, o sombreamento e reflexão dos contatos frontais, e a resistência em série são responsáveis por reduzir esse aproveitamento, fazendo com que cerca de 13% da radiação seja transformada em energia elétrica utilizável. 

Pensar na eficiência da célula fotovoltaica é diferente de pensar na eficiência dos módulos fotovoltaicos, uma vez que a eficiência destes é calculada por meio da área total e da potência-pico que é capaz de oferecer. 

As células fotovoltaicas oriundas de diferentes processos – CdTe, CIS/CIGS, silício amorfo – possuem eficiências distintas, operando com diferentes espectros de radiação solar. Além disso, elas reagem de formas diferentes diante do aumento de temperatura, fazendo com que cada uma seja mais adequada a um tipo específico de instalação fotovoltaica. 

A seguir, confira a comparação entre as eficiências dos tipos mais comercializados de célula solar fotovoltaica de acordo com o material de fabricação: 

• Silício monocristalino: máxima teórica de 24,7%, em laboratório apresenta 18% e em produção em série, 14%;
• Silício policristalino: máxima teórica de 19,8%, em laboratório apresenta 15% e em produção em série, 13%;
• Silício amorfo: máxima teórica de 15%, em laboratório possui 10,5% e em produção em série, 7,5%;
• CIGS: máxima teórica de 18,8%, em laboratório possui 14% e em produção em série, 10%;
• CdTe: máxima teórica de 16,4%, em laboratório tem 10% e em produção em série, 9%.

Entretanto, é importante ressaltar que, com o avanço da tecnologia e, consequentemente, das técnicas de produção, a eficiência de conversão energética da célula fotovoltaica de silício cristalizado, sobretudo a do silício policristalino, tem apresentado um crescimento.

Curiosidades sobre a célula fotovoltaica

Assim como outros elementos de um sistema solar, a célula fotovoltaica possui características muito interessantes, como o impacto ambiental, os perigos e a sua história. 

Confira as principais curiosidades da 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.

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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 pelos 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 seja muito bem montada em um painel solar para evitar qualquer tipo de acidente.

A história da célula fotovoltaica

O efeito fotovoltaico foi identificado 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 9.600 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.

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