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Células solares: o que são e como funcionam

Neste artigo, vamos explicar tudo que você precisa saber sobre células solares fotovoltaicas. De que forma elas funcionam, quais seus tipos e qual a forma correta de investir na tecnologia se você busca apostar em <a href="https://www.portalsolar.com.br/o-que-e-energia-solar.html">energia solar</a>.

O que são células solares e como funcionam

Uma célula solar fotovoltaica é o dispositivo que transforma a radiação solar em energia elétrica por meio do efeito fotovoltaico. Para que isso seja possível, elas são feitas de materiais semicondutores, geralmente o silício cristalizado.

Um conjunto de células solares conectadas em série forma um módulo fotovoltaico, chamado popularmente de <a href="https://www.portalsolar.com.br/placa-solar-preco.html">placa solar</a>&nbsp;ou painel solar, que vemos sobre os telhados das residências que possuem energia solar instalada.

Para se formar um módulo fotovoltaico, dezenas de células solares são conectadas em série por meio de uma faixa condutora extremamente fina. Ao conectar todas as células fotovoltaicas do painel solar, é criado um circuito.

Então, as células solares são cobertas por uma resistente camada de vidro temperado antirreflexo e antiaderente e colocadas dentro de uma moldura de alumínio.

Na parte traseira do módulo solar, existe a caixa de junção: uma pequena caixa preta que possui dois cabos condutores. Esses cabos são utilizados para conectar os painéis solares, formando uma série de painéis.&nbsp;

Depois, o conjunto inteiro de painéis é ligado por cabos ao inversor solar, equipamento que converte a corrente elétrica contínua produzida pelos módulos solares em corrente elétrica alternada, que é o padrão utilizado pela rede elétrica do Brasil e pelos equipamentos elétricos de qualquer residência.

O efeito fotovoltaico tem seu primeiro registro datado em 1839, quando foi observado pelo físico Alexandre Edmond Becquerel. Por ser semelhante, foi confundido com o efeito fotoelétrico – algo que acontece até hoje.&nbsp;

Os dois efeitos estão relacionados com fótons de luz, que são as partículas que formam a luz, mas o efeito fotovoltaico envolve o surgimento de uma tensão elétrica quando um material semicondutor (como o silício) é exposto à <a href="https://www.portalsolar.com.br/energia-luminosa">luz visível</a>. Assim, é possível gerar energia elétrica com painéis fotovoltaicos formados por células solares de silício e expostos à luz do sol.

Os materiais semicondutores possuem uma “banda de valência”, que é totalmente preenchida por elétrons livres, e uma “banda de condução”, com ausência de elétrons, ou buracos. Entre elas há uma lacuna, o “band gap”, que nos semicondutores é de 1 eV (elétron-volt).

Assim, a 0° Kelvin, o semicondutor funciona como isolante, mas, ao aumentar a temperatura, ele começa a agir como um condutor, carregando a eletricidade. É por essa variação de comportamento que esse tipo de material recebe o nome de semicondutor.

Ao receber fótons de luz visível, os elétrons livres da banda de valência são energizados e conseguem saltar o GAP até a banda de condução, ocupando os espaços vazios, o que resulta na produção de uma corrente elétrica no interior da estrutura cristalina do semicondutor.

No entanto, os semicondutores tendem a permanecer neutros em sua formação natural pura pois, quando um elétron muda de lugar, o buraco que ele deixa é prontamente ocupado por outro elétron no que é conhecido como efeito de recombinação. Um semicondutor que não possui impurezas é chamado de intrínseco.&nbsp;

Dessa forma, é preciso perturbar a formação cristalina de um semicondutor intrínseco para que a corrente elétrica produzida possa ser utilizada. Isso é feito por meio de um processo chamado de dopagem, no qual são utilizados diferentes elementos químicos para atrapalhar a ligação atômica do semicondutor.

O silício é um elemento que possui quatro elétrons de valência, isso quer dizer que precisa de mais quatro átomos para formar uma ligação covalente. Ao ser inserido fósforo ou arsênico (elementos que possuem 5 elétrons de valência), o quinto elétron ficará ligado de forma fraca, então, em temperatura ambiente, esse elétron ficará livre, deixando o silício dopado negativamente carregado.&nbsp;

Portanto, temos um semicondutor do tipo N.

Se for adicionado ao silício um elemento dopante com 3 elétrons de valência, como o boro, faltarão elétrons na sua estrutura cristalina. Por isso, em temperatura ambiente, quando os elétrons forem liberados, o semicondutor ficará carregado positivamente.

Voltando ao funcionamento das células solares, para que uma célula solar faça seu trabalho, os dois tipos de semicondutores são unidos e formam o que chamamos de Junção-PN. Ao serem energizados pelos fótons de luz, os elétrons em excesso da camada tipo N migram até a camada tipo P, onde há falta de elétrons.

Porém, essa corrente de elétrons não flui para sempre, pois ocorre a formação de um campo elétrico na junção-PN que impede os elétrons da camada N de migrar para a camada P.

Dessa forma, na fabricação das células solares são inseridos contatos frontais e traseiros que ligam as duas camadas externamente e possibilitam a passagem ininterrupta dos elétrons, o que permite transformar a luz do sol em corrente elétrica.

Células solares de silício: monocristalinas e policristalinas

As células solares de silício monocristalino são feitas a partir de um único cristal de silício, como o prefixo da palavra sugere.

Para a sua fabricação, o silício purificado – em forma de policristal – precisa tornar-se um único cristal, o que pode ser obtido por via de um processo de cultura de cristais.

Utilizando o método Czochralski, que é um dos mais conhecidos para esse processo, derretemos o silício novamente em forno de fundição – ou um cadinho – de quartzo em uma temperatura de quase 1.500°C.

Então, a partir de uma semente de monocristal de silício, é possível a formação de um novo lingote de cristal único de silício (monocristal), que depois será cortado nas lâminas (wafers) que formam as células solares.

Já as células de silício policristalino são produzidas a partir do silício purificado (também), que é derretido no cadinho de quartzo e moldado na forma de um cubo, produzindo uma formação cristalina que seja a mais homogênea possível.

Como o silício cristaliza de forma livre, são formados vários cristais – por isso é chamado de policristalino.

O silício policristalino não é tão eficiente quanto o monocristalino. Isso porque os seus vários cristais acabam fazendo com que os elétrons se recombinem com mais facilidade, o que causa perda por recombinação.

O resto das etapas é semelhante ao monocristalino. O lingote é cortado em lâminas que passam por processos até formarem as células fotovoltaicas policristalinas.

Células solares de filme fino (células solares flexíveis)

Essas células surgiram nos anos 90 como uma alternativa mais barata às células de silício cristalizado. Porém, por causa da sua menor vida útil e eficiência, não alcançaram o sucesso comercial planejado. São conhecidas como células solares de 2ª geração.

A queda do custo das células de silício, possibilitada pelo avanço da tecnologia e sua popularização, também foi um fator determinante para que as células de filme fino não se tornassem tão populares.

Ainda assim, suas pesquisas continuam, e elas apresentam algumas vantagens: sua fabricação exige menos matéria-prima e energia, e há mais liberdade em seu uso, visto que seu material permite células solares flexíveis e transparentes.

A eficiência dessas células é de 2% a 3% mais baixa que as de silício. Você provavelmente já utilizou uma célula solar de filme fino na vida: são aquelas utilizadas em calculadoras de escritórios, por exemplo.

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

As células de silício amorfo (sem forma) possuem baixa eficiência, entre 5% e 9%, e uma queda durante o primeiro ano de uso pois a luz causa degradação. Esse fenômeno é conhecido como efeito de Staebler-Wronski.

Células solares à base de seleneto de cobre índio (CIS)

As células CIS são mais duráveis e eficientes que as células de filme fino – entre 11% e 14% – e também não sofrem degradação pela luz solar, como as de silício amorfo. Porém, elas apresentam instabilidade em ambientes úmidos e muito quentes, o que torna necessário que seus módulos passem por uma boa selagem.

Elas são feitas com uma camada fina de índio e selênio depositada em um substrato, que pode ser um metal flexível ou vidro.

Células solares à base de disseleneto de cobre, índio e gálio (CIGS)

As células CIGS são muito semelhantes às CIS. A diferença está na presença do elemento gálio, que se junta ao índio a fim de melhorar o desempenho. Porém, a eficiência da célula ainda é um pouco mais baixa que a da sua irmã: 10%.

Células solares à base de telureto de cádmio (CdTe)

As células de telureto de cádmio também não sofrem degradação pela luz do sol. Porém, o cádmio é um elemento tóxico, e sua fabricação oferece riscos ao ambiente, o que exige rigorosos processos de controle.

Os módulos comercializados apresentam de 6% a 9% de eficiência, apesar de já terem alcançado 16,5% em testes laboratoriais.

Células solares à base de arseneto de gálio (GaAs)

As células solares de arseneto de gálio são muito eficientes, podendo passar dos 30%.&nbsp;Entre as células solares de filme fino de junção única, são as que apresentam a maior eficiência.

Além disso, suas propriedades elétricas e desempenho são bons e suportam melhor o calor. O semicondutor GaAs tem propriedades eletrônicas melhores que as do silício.

O processo de fabricação é muito custoso, porém elas são muito utilizadas nas indústrias espacial e militar para a construção de espaçonaves, aeronaves e satélites.

É uma célula solar de filme fino com várias camadas tipo P e N fabricadas com diferentes tipos de materiais semicondutores.

Isso torna essas células mais eficientes, pois cada material absorve os fótons de luz em ondas de diferentes frequências, permitindo aproveitar de forma mais ampla o espectro eletromagnético da radiação solar.

O processo de fabricação dessa tecnologia é muito complexo e caro, porém são as células que obtiveram os melhores resultados em testes laboratoriais. Uma célula com quatro junções chega a ultrapassar 46% de eficiência.

Por ainda ser uma célula de filme fino, é considerada por alguns autores de segunda geração; e por outros, de terceira geração.

São as células de última geração – mais recentes, com tecnologia mais atual e ainda em desenvolvimento. Ainda possuem pouco espaço no mercado solar.

As células que se destacam na 3ª geração são: células solares PERC, células híbridas de heterojunção, células de perovskita, células orgânicas e células solares sensibilizadas por corantes.

PERC significa Passivated Emitter and Rear Contact, que, em português, quer dizer Emissor Passivado e Contato Traseiro. Essas células são feitas de silício cristalino, porém são mais finas e possuem uma camada a mais de passivação.

Ao fazer as células mais finas, é possível economizar matéria-prima, e a camada de passivação extra diminui a velocidade de recombinação dos elétrons, o que aumenta sua eficiência mesmo com menos silício.

Essa tecnologia está conquistando o interesse dos fabricantes e ganhando cada vez mais espaço. Atualmente, a maioria dos módulos fotovoltaicos importados no Brasil já são fabricados com células PERC.

Células solares híbridas de heterojunção (HIT/HJT)

Desenvolvidas pela Sanyo (empresa que depois foi adquirida pela Panasonic) há 20 anos, as células solares híbridas de heterojunção são células de silício cristalino com camadas de silício amorfo.

A camada de silício amorfo oferece ganho de eficiência, e a combinação também resulta em um coeficiente de temperatura menor, fazendo com que elas sofram menos danos com o aumento da temperatura e funcionem de forma mais eficiente em lugares quentes.

A combinação entre as tecnologias aumenta em 20% a eficiência das células e proporciona a essa técnica um maior potencial de crescimento.

Porém, por conta do processo de fabricação mais complexo, o custo desses módulos ainda é muito elevado.

Essas células são uma grande aposta da indústria para o futuro, desde que pequenos probleminhas sejam resolvidos.

Elas possuem baixos custos de produção – e a eficiência já ultrapassa os 25%, o que é mais que as células tradicionais de silício cristalino.

Além disso, elas também possuem as vantagens das células de filme fino: flexibilidade, semitransparência e leveza.

Porém, apresentam uma vida útil curta e pouca estabilidade em ambientes úmidos e quentes. Também podem provocar danos ao meio ambiente devido à sua fabricação conter chumbo – que é o grande responsável por sua alta eficiência.

As células orgânicas fabricadas com técnicas de heterojunção conseguem chegar a 18% de eficiência em testes laboratoriais.

O seu desempenho é influenciado pela espessura das camadas: quanto mais fina, menos energia é produzida.

Elas também podem ser flexíveis, apresentam custo de produção baixo e não causam muito impacto ao meio ambiente, porém, sem uma proteção eficaz, manifestam instabilidade em razão da degradação ambiental.

Células solares sensibilizadas por corante (DSSC)

Essas células são um tipo de célula solar de filme fino. As vantagens são: a fabricação é simples e com matéria-prima barata, a composição é híbrida (mistura materiais inorgânicos e orgânicos) e oferece resistência mecânica.&nbsp;

Elas também são mais leves que as tradicionais, podem ser flexíveis e fabricadas com diferentes cores. Sua eficiência está entre 8% e 14%.

No lado das desvantagens, temos: perigo de toxicidade e corrosão, instabilidade em climas adversos e vida útil de apenas 10 anos – pouco em relação aos 25 anos prometidos pelas células de silício.

Tipos de células solares mais eficientes

O National Renewable Energy Laboratory (NREL), ou Laboratório de Energia Renovável Nacional, é o laboratório norte-americano especializado em pesquisa e desenvolvimento de energia renovável. Com a análise do gráfico acima, disponibilizado pela instituição, é possível perceber que a eficiência das células solares cresce com o decorrer do tempo, chegando a seu ápice no último ano analisado pelo gráfico (2020). Como mencionado anteriormente, as células de multijunção se mostram com maior eficiência e estão em pleno desenvolvimento, assim como as de todas as tecnologias.&nbsp;

Células solares, painel solar e sistema fotovoltaico

Como explicado anteriormente, a junção de um grupo de células solares ligadas em série forma o que chamamos de módulo solar. Já o conjunto de módulos forma o <a href="https://www.portalsolar.com.br/painel-solar">painel solar</a>.

Os módulos solares fazem parte do sistema fotovoltaico, que é composto pelo painel, um inversor solar, uma string box, além de outros acessórios e cabos que fazem parte do kit de energia solar.

Existem dois tipos de sistemas fotovoltaicos: o on grid e o off grid, além deles há um terceiro tipo, o híbrido, que é a união das características dos dois.

A forma de funcionamento deles é basicamente a mesma: painéis solares captam a energia do sol e transformam-na em corrente elétrica por meio das suas células solares, geralmente feitas de silício. Essa corrente é enviada ao inversor solar, que a converte de <a href="https://www.portalsolar.com.br/corrente-eletrica-continua-cc-alternada-ca">corrente contínua</a> para corrente alternada, utilizada em nossos equipamentos elétricos.

No sistema on grid, o sistema fotovoltaico funciona conectado à rede de distribuição e a energia excedente produzida no dia é injetada na rede elétrica. Durante a noite ou em momentos de pouca irradiação solar, o imóvel utiliza a energia da distribuidora.

Graças à Resolução Normativa n.º 482 da Agência Nacional de Energia Elétrica (Aneel), todo excedente injetado na rede é convertido em créditos para as unidades geradoras que irão utilizá-los para compensar a energia consumida da rede.

Já os off grid, ou seja, desconectados da rede, funcionam com um sistema de baterias. A energia excedente é armazenada em baterias para poder ser utilizada à noite.

Esse sistema é utilizado em lugares onde não há rede de distribuição e tem um custo muito mais alto, visto que as baterias ainda são bastante caras.&nbsp;

O sistema híbrido possui baterias e também é conectado com a rede de distribuição.

Células solares: saiba como funcionam, principais tipos e a forma certa de comprar a tecnologia para quem busca gerar energia solar.