Curso de Energia Solar no Mercado Livre de Energia (ACL)

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.

Célula fotovoltaica é o dispositivo semicondutor que converte a luz do sol em eletricidade por meio do efeito fotovoltaico, sendo a base dos painéis solares na geração de energia limpa.

Para fabricar as famosas <a href="https://www.portalsolar.com.br/placas-fotovoltaicas">placas solares</a>, 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 <a href="https://www.portalsolar.com.br/placa-solar-fotovoltaica-o-que-voce-precisa-saber">placa solar fotovoltaica</a>&nbsp;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 <a href="https://www.portalsolar.com.br/kit-de-energia-solar-tudo-o-que-voce-precisa-saber.html">kit de energia solar</a>, 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.

A célula fotovoltaica funciona pelo efeito fotovoltaico: a luz solar ativa os elétrons no material semicondutor, gerando corrente elétrica utilizada na produção de energia solar limpa e renovável.

Esse fenômeno foi 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 <a href="https://www.portalsolar.com.br/energia-luminosa">energia luminosa</a>&nbsp;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.&nbsp;

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 <a href="https://www.portalsolar.com.br/corrente-eletrica-continua-cc-alternada-ca">corrente elétrica</a> 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.&nbsp;

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 <a href="https://www.portalsolar.com.br/como-funciona-o-painel-solar-fotovoltaico.html">como funciona uma placa solar</a>.

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.&nbsp;

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:

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.&nbsp;

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.&nbsp;

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

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.&nbsp;

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.&nbsp;

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.&nbsp;

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.&nbsp;

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.

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.&nbsp;

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.&nbsp;

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.&nbsp;

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.

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.&nbsp;

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.

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.&nbsp;

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.

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.

Saiba mais sobre o <a href="https://www.portalsolar.com.br/painel-solar-flexivel">painel solar flexível</a>

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. 

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).

Descubra como a célula fotovoltaica converte luz em energia limpa, suas vantagens e preços acessíveis. Clique e aprenda antes de investir!