Como funcionam as células solares
Autor: Ditador Nicastro | Publicado: 2012-05-25T12:17:00-03:00


fonte: http://ambiente.hsw.uol.com.br/celulas-solares.htm


Introdução

Você já
viu calculadoras sem pilha? Com luz suficiente, elas parecem funcionar para
sempre (algumas nem têm botão de desligar). Elas são bons exemplos do uso de
células solares. Você pode ter visto painéis solares bem maiores, em placas ou
telefones públicos de emergência, em estradas. Embora esses grandes painéis não
sejam tão comuns como as calculadoras que funcionam com energia solar, eles
estão por aí, e não é difícil de achar se você souber onde procurar. Há
conjuntos de células solares em satélites,
para abastecer os sistemas elétricos. 

Também é
provável que você tenha ouvido sobre a "revolução solar" nos últimos
20 anos: a idéia de que um dia todos nós usaremos a eletricidade grátis do Sol. Este é um processo sedutor: em um dia claro
e ensolarado, o sol brilha "despejando" aproximadamente 1.000 watts
de energia por metro quadrado da superfície do planeta; e se pudéssemos coletar
toda esta energia poderíamos facilmente fornecer energia para nossas casas e
escritórios de graça. 


 

  

Foto
  cedida DOE/NREL
  Crédito
  da foto Agência SunLine Transit
  Os
  painéis solares absorvem energia para produzir hidrogênio na Agência SunLine
  Transit

 



Neste
artigo, examinaremos as células solares para aprender como elas convertem a
energia do Sol diretamente em eletricidade. No processo, você aprenderá a razão
pela qual estamos nos aproximando da energia solar diariamente e por que ainda
precisamos pesquisar mais antes que o processo se torne economicamente viável. 

Convertendo
fótons em elétrons
As células solares das calculadoras e satélites são células ou módulos
fotovoltaicos (módulos são simplesmente um grupo de células conectadas
eletricamente e reunidas em uma estrutura). Fotovoltaica, como diz a palavra
(foto = luz, voltaica = eletricidade), converte a luz do Sol diretamente em eletricidade.
Antes usadas quase que exclusivamente no espaço, as células fotovoltaicas são
cada vez mais usadas de modos menos exóticos. Elas podem até mesmo abastecer
uma casa de energia. Como esses dispositivos funcionam? 

Células
fotovoltaicas (FV) são feitas de materiais especiais chamados de semicondutores,
como o silício, que é atualmente o mais comum. Basicamente, quando a luz
atinge a célula, uma certa quantidade dela é absorvida pelo material semicondutor. Isso significa que a energia da luz
absorvida é transferida para o semicondutor. A energia arranca os elétrons
fracamente ligados, permitindo que eles possam fluir livremente. As células FV
também possuem um ou mais campos elétricos que forçam os elétrons livres, pela
absorção da luz, a fluir em um certo sentido. Este fluxo de elétrons é uma
corrente; e pondo contatos de metal na parte superior e na parte inferior da
célula FV, podemos drenar esta corrente para usá-la externamente. Por exemplo,
a corrente pode abastecer uma calculadora. Essa corrente, juntamente com a
voltagem da célula (que é um resultado de seu(s) campo(s) elétrico(s)
embutido(s)), define a potência que a célula pode produzir. 

Este é o
processo básico, mas realmente há muito mais sobre isso. Vamos dar uma boa
olhada em um exemplo de célula fotovoltaica: a célula de silício
monocristalino. 

O silício
tem algumas propriedades químicas especiais, principalmente em sua forma
cristalina. Um átomo de silício tem 14 elétrons, organizados em
três camadas diferentes. As duas primeiras camadas, aquelas mais próximas do
centro, estão completamente cheias. Já a camada mais externa é preenchida pela
metade, tendo apenas quatro elétrons. Um átomo de silício sempre vai procurar
modos de completar até sua última camada, que gostaria de ter oito elétrons.
Para fazer isso, ele vai partilhar os elétrons com quatro de seus átomos
vizinhos de silício. É como se cada átomo estivesse de mãos dadas com seus
vizinhos, exceto que, neste caso, cada átomo tem quatro mãos dadas para quatro
vizinhos. É isso que forma a estrutura cristalina, importante para este
tipo de célula FV. 

Acabamos
de descrever o silício cristalino puro. O silício puro é um mau condutor de
eletricidade, porque nenhum de seus elétrons está livre para se mover. Bons
condutores, como o cobre, têm elétrons livres. No silício os elétrons estão
todos presos à estrutura cristalina. O silício em uma célula solar é levemente modificado
para que a célula funcione como deveria. 

Uma
célula solar tem silício com impurezas: outros átomos misturados com os
átomos de silício, mudando um pouco a forma das coisas. Geralmente pensamos nas
impurezas como algo indesejável, mas em nosso caso, nossa célula não
funcionaria sem elas. Estas impurezas são na verdade colocadas ali de
propósito. Considere o silício junto com alguns poucos átomos de fósforo,
talvez um para cada milhão de átomos de silício. O átomo de fósforo tem cinco
elétrons em sua camada externa, não quatro. Ele ainda se conecta com seus
átomos de silício vizinhos, mas de certo modo, o fósforo tem um elétron que não
se conecta. Ele não faz parte de uma ligação, mas há um próton positivo no
núcleo do fósforo que o mantém no lugar. 

Quando
energia é adicionada ao silício puro, por exemplo, na forma de calor, ela pode
causar a liberação de alguns elétrons de suas ligações, e eles deixam seus
átomos. Um buraco é deixado para trás em cada caso. Estes elétrons, então,
vagam aleatoriamente ao redor da distribuição dos átomos do cristalino,
procurando outro buraco no qual “entrar”. Esses elétrons são chamados de portadores
livres e podem carregar a corrente elétrica. Há alguns deles no silício
puro, o que não os torna lá muito úteis. Nosso silício impuro com átomos de
fósforo misturados é uma outra história. Acontece que ele toma muito menos
energia para liberar um dos nossos elétrons "extras" do fósforo
porque eles não estão conectados por uma ligação, seus vizinhos não estão conectados
a ele. Assim, a maioria desses elétrons se liberta, e há muito mais portadores
livres do que haveria no silício puro. O processo de adicionar impurezas de
propósito é chamado de doping, e quando "dopado" com fósforo o
silício resultante é chamado tipo-N ("n" de negativo) por
causa do predomínio dos elétrons livres. O silício dopado tipo-N é um condutor
muito melhor do que o silício puro. 

Na
verdade, apenas parte da nossa célula solar é tipo-N. A outra parte é dopada
com boro (que tem apenas três elétrons, em vez de quatro, em sua camada mais
externa) para se tornar um silício do tipo-P. Em vez de ter elétrons
livres, o silício tipo-P ("p" de positivo) tem buracos livres. Os
buracos, na verdade, são apenas a ausência de elétrons, então eles possuem
carga oposta (positiva). Eles ficam se movendo, exatamente como os elétrons
fazem. 

A parte
interessante começa quando você coloca o silício tipo-N junto com o silício
tipo-P. Lembre-se de que cada célula FV apresenta um campo elétrico. Sem
um campo elétrico, a célula não funcionaria. Esse campo se forma quando o
silício tipo-N e tipo-P estão em contato. De repente, os elétrons livres no
lado N, que estiveram procurando por todos os lugares pelos buracos para
entrar, vêem todos os buracos livres no lado P, e há uma corrida maluca para
preenchê-los. 


A anatomia de uma célula

Antes, o
silício era eletricamente todo neutro. Nossos elétrons extras foram balanceados
pelos prótons extras nos fosforosos. Os elétrons que estão faltando (buracos)
foram balanceados pelos prótons que estão faltando no boro. Quando os buracos e
os elétrons se misturam na junção do silício tipo-N e&nbsp;tipo-P, essa
neutralidade é rompida. Todos os elétrons livres preenchem todos os buracos
livres? Não. Se eles preenchessem, então a organização total não seria muito
útil. Porém, bem na junção, eles se misturam formando uma barreira,
dificultando mais e mais para os elétrons no lado N atravessarem para o lado P.
Finalmente, o equilíbrio é alcançado e temos um campo elétrico separando os
dois lados. 


 

  










 

  

  O
  efeito do campo elétrico em uma célula FV 

 

&nbsp; 

Este
campo elétrico atua como um diodo, permitindo (e mesmo empurrando) os
elétrons para fluírem do lado P para o lado N, mas não ao contrário. É como uma
montanha, os elétrons podem descer facilmente a montanha (para o lado N), mas
não podem subi-la (para o lado P). 

Então,
conseguimos um campo elétrico atuando como um diodo no qual os elétrons apenas
podem se mover em um sentido. Vamos ver o que acontece quando a luz atinge a
célula.&nbsp; 

Quando a
luz, na forma de fótons, atinge nossa célula solar, sua energia
libera os pares de furos e elétron-buraco. 

Cada fóton
com energia suficiente normalmente liberará exatamente um elétron, resultando
em um buraco livre também. Se isto acontece muito perto do campo elétrico, ou
se acontecer do elétron livre e do buraco livre estarem na região de influência
do campo, ele enviará o elétron para o lado N e o buraco para o lado P. Isto
causa ruptura adicional da neutralidade elétrica e, se fornecermos um caminho
externo para a corrente, os elétrons fluirão, através do caminho, para seu lado
original (o lado P) para unirem-se com os buracos que o campo elétrico enviou
para lá, fazendo o trabalho para nós ao longo do caminho. O fluxo de elétrons
fornece a corrente e o campo elétrico das células causa uma voltagem.
Com a corrente e a voltagem, temos a potência que é o produto dos dois. 

Ainda
restam algumas etapas antes que possamos realmente usar nossa célula. Acontece
que o silício é um material muito brilhante e, portanto, reflete muito. Os
fótons que são refletidos não podem ser usados pela célula. Por esta razão, um revestimento
anti-reflexo é aplicado no topo da célula para reduzir a perda de reflexo
para menos de 5%. 

A etapa
final é a placa de cobertura de vidro que protege a célula dos fenômenos
atmosféricos. Os módulos são feitos pela conexão de várias células (geralmente
36) em séries e em paralelo para atingir níveis úteis de voltagem e corrente, e
colocá-las em uma forte estrutura completa com cobertura de vidro e terminais
positivos e negativos na parte de trás. 


 

  



 

  

  Operação
  de uma célula FV 

 









A
estrutura básica de uma célula FV de silício genérica

Quanta
energia, proveniente da luz do Sol, nossa célula FV absorve? Infelizmente, o
máximo que nossa célula simples poderia absorver é cerca de 25% e, geralmente,
15% ou menos. Por que tão pouco? 


Perda de energia numa célula solar 

A luz visível
é parte do espectro eletromagnético. A radiação
eletromagnética não é monocromática, é composta de uma variação de comprimentos
de onda diferentes e conseqüentemente de níveis de energias diferentes (veja Como funciona a relatividade especial para uma
boa discussão sobre espectro eletromagnético). 

A luz
pode ser separada em comprimentos de onda diferentes e podemos vê-los na forma
de um arco-íris. Como a luz que atinge nossa célula tem fótons de uma grande
variedade de energias, alguns deles não possuem energia suficiente para formar
um par de elétron-buraco. Eles simplesmente passarão pela célula como se ela
fosse transparente. Somente uma certa quantidade de energia, medida em
elétron-volts (eV) e definida por nosso material da célula (cerca de 1,1 eV
para o silício cristalino), é requerida para arrancar um elétron. Chamamos isso
de energia de espaçamento entre as bandas de um material. Se um fóton
tem mais energia do que a quantidade necessária, então a energia extra é
perdida (a menos que um fóton tenha o dobro da energia requerida, e possa criar
mais do que um par de elétron-buraco, mas este efeito não é significativo).
Estes dois efeitos sozinhos são responsáveis pela perda de cerca de 70% da
energia de radiação incidente na nossa célula.

Por que
não podemos escolher um material com um espaçamento entre as bandas realmente
baixo para que possamos usar mais fótons? Infelizmente, nosso espaçamento
determina a intensidade (voltagem) de nosso campo elétrico, e se for muito
baixo, então obtemos uma corrente extra (pois mais fótons são absorvidos), e
assim perdemos por ter uma voltagem baixa. Lembre-se de que a potência é a voltagem
vezes a corrente. O espaçamento ideal entre as bandas, balanceando estes dois
efeitos, está em torno de 1,4 eV para uma célula de um único material. 

Também
temos outras perdas. Nossos elétrons tem de fluir de um lado da célula para o
outro através de um circuito externo. Podemos cobrir a parte inferior com um
metal, permitindo uma boa condução, mas se cobríssemos completamente a parte
superior, então os fótons não conseguiriam atravessar o condutor opaco e
perderíamos toda nossa corrente (em algumas células, os condutores
transparentes são usados na superfície superior). Se colocarmos nossos contatos
apenas nas laterais de nossas células, então os elétrons terão de percorrer uma
distância extremamente longa (para um elétron) para alcançar os contatos.
Lembre-se de que o silício é um semicondutor, não é nem de longe tão bom quanto
o metal para o transporte da corrente. Sua resistência interna (chamada de
resistência de série) é razoavelmente alta, significando altas perdas. Para
minimizar estas perdas, nossa célula é coberta por uma rede de contato metálica
que reduz a distância que os elétrons devem percorrer enquanto cobrem apenas
uma pequena parte da superfície da célula. Mesmo assim, alguns fótons são
bloqueados pela rede, que não pode ser muito pequena ou então sua própria
resistência será muita alta. 




 

  
Dentro do silício monocristalino

O
  silício monocristalino não é o único material usado em células FV. O silício
  policristalino também é usado na tentativa de cortar os custos de fabricação,
  embora as células resultantes não sejam tão eficazes como o silício
  monocristalino. Silício amorfo, que não tem a estrutura cristalina, também é
  usado, novamente na tentativa de reduzir os custos de produção. Outros
  materiais usados incluem arsenieto de gálio, di-seleneto de cobre e índio e
  telureto de cádmio. Desde que materiais diferentes tenham espaçamento entre
  as bandas diferentes, eles parecem ser "sintonizados" para
  comprimentos de onda diferentes ou fótons de energias diferentes. Um jeito
  para que a eficácia seja melhorada é usar duas ou mais camadas de
  materiais diferentes com espaçamento entre as bandas diferentes. O material
  que tem espaçamento maior entre as bandas fica na superfície, absorvendo os
  fótons de alta energia, enquanto permite que os fótons de energia mais baixa
  sejam absorvidos pelo material, logo abaixo, que tem espaçamento entre as
  bandas menor. Esta técnica pode ser muito mais eficiente. Tais células são
  chamadas células multi-junção, que podem ter mais de um campo
  elétrico.
  &nbsp;

 








Alimentando uma casa com energia solar

Agora que
temos nosso módulo FV, o que fazemos com ele? O que você teria que fazer para
trazer energia para sua casa através da energia solar? Embora não seja tão
simples como colocar alguns módulos no telhado, também não é tão difícil assim.


Primeiro
de tudo, nem todo telhado tem a orientação ou o ângulo de inclinação adequado
para tirar proveito da energia solar. Sistemas FV sem rastreamento no
Hemisfério Norte devem apontar em direção ao sul (esta é a orientação). Eles
devem ficar inclinados em um ângulo igual à latitude da área para absorver a
máxima quantidade de energia o ano todo. Uma orientação e/ou inclinação
diferente poderia ser usada se você quisesse maximizar a produção de energia
para a manhã ou tarde e/ou, ainda, para o verão ou inverno. É claro que os
módulos nunca devem receber sombra de árvores ou de prédios vizinhos, não
importa a hora do dia ou a época do ano. Em um módulo FV, mesmo se apenas uma
das 36 células estiver na sombra, a produção de energia será reduzida por mais
da metade. 

Se você
tem uma casa com um telhado sem sombra e direcionado para o sul, você deve
decidir que tipo de sistema você precisa. Isso é complicado porque sua produção
de eletricidade depende do clima, o que nunca é completamente previsível, e sua
demanda de eletricidade também pode variar. Estes obstáculos são bem fáceis de
superar. Os dados metereológicos dão uma média mensal de níveis de raios
solares para áreas geográficas diferentes. Eles levam em consideração as chuvas
e os dias nublados, bem como a altura, umidade
e outros fatores subentendidos. Você deve planejar para o pior mês para ter
eletricidade o suficiente para o ano inteiro. Com esses dados, e sabendo sua
demanda doméstica média (suas contas de serviços públicos informam a quantidade
de energia que você gasta em cada mês), existem métodos simples para determinar
exatamente quantos módulos você vai precisar. Você também vai precisar saber a
voltagem do sistema, que você pode controlar decidindo quantos módulos deve
cabear em série. 

Você já
deve ter percebido quantos problemas vamos ter que resolver. Primeiro, o que
fazer quando o sol não sair? Certamente, ninguém iria querer ter apenas
eletricidade durante o dia e apenas em dias claros. Precisamos armazenar
energia, baterias. Infelizmente, as baterias aumentam
muito o custo e a manutenção do sistema PV. Porém, atualmente é uma necessidade
se você quiser ser completamente independente. Uma forma de contornar o
problema é associar sua casa a uma rede de serviços públicos, comprando energia
quando necessário e vendê-la quando produzir demais. Desta forma, o serviço
público atua praticamente como um sistema de armazenamento infinito. O serviço
público tem&nbsp;que concordar e, na maioria dos casos, comprarão a energia de
você a um valor bem menor do que o preço de venda deles. Você também vai
precisar de um equipamento especial para ter certeza de que a energia que está
vendendo para o serviço público está sincronizado com o deles, isto é, se
compartilha as mesmas formas de ondas e freqüência. A segurança também é um
problema. O serviço público tem&nbsp;que assegurar que, se houver interrupção
de energia em seu bairro, seu sistema PV não fornecerá eletricidade para as
linhas que eles acham que estão inutilizadas. Isto é chamado de isolamento.


Se você
decidir usar baterias, tenha em mente que elas precisarão de manutenção e
substituição depois de alguns anos. A duração dos módulos PV deve ser de 20
anos ou mais, mas as baterias não têm um tempo de vida útil tão longo assim. As
baterias nos sistemas PV também podem ser muito perigosos por causa da energia
que elas armazenam e dos eletrólitos acidíferos que elas contêm, então você vai
precisar de um lugar muito bem ventilado e não metálico para elas. 

Embora
muitos tipos diferentes de baterias sejam usados, a única característica que
todas elas devem ter em comum é serem baterias de ciclo profundo.
Diferentemente da bateria de seu carro, que é uma bateria de ciclo-baixo, as
baterias de ciclo profundo podem descarregar mais a energia armazenada enquanto
mantiverem uma longa vida. Para dar a partida no carro, as baterias descarregam
uma grande corrente num período muito curto e, imediatamente, recarregam
enquanto você dirige. As baterias PV geralmente tem&nbsp;que descarregar uma
corrente menor em um período maior (como durante a noite toda), enquanto é
carregada durante o dia. 

As
baterias de ciclo-profundo mais usadas são as baterias de chumbo (ambas
seladas e ventiladas) e as baterias de níquel-cádmio. As baterias de
níquel-cádmio são mais caras, mas duram mais e podem ser descarregadas mais por
completo sem causar danos. Mesmo as baterias de chumbo de ciclo profundo não
podem ser descarregadas 100% sem reduzir seriamente o tempo de vida e,
geralmente, os sistemas PV são projetados para descarregar as baterias de
chumbo não mais de 40 ou 50%. 

O uso das
baterias também requer a instalação de outro componente chamado controlador
de carga.&nbsp;Elas duram muito mais se tomar cuidado para que não sejam
sobrecarregadas ou descarregadas demais. É isso que o controlador de carga faz.
Uma vez que as baterias estejam totalmente carregadas, o controlador não deixa
que a corrente dos módulos PV continuem fluindo para eles. Também, uma vez que
as baterias tenham sido descarregadas até certo nível, controladas pela medição
de voltagem, muitos controladores de carga não permitirão que mais corrente
seja drenada das baterias até que elas tenham sido recarregadas. O uso do
controlador de carga é essencial para a vida longa da bateria. 

Outro
problema é que a eletricidade gerada por seus módulos PV (e extraída das
baterias se você optar por usá-las) é uma corrente direta, enquanto que a
eletricidade fornecida pela empresa de energia (e o tipo que todo aparelho em
sua casa usa) é a corrente alternada. Você vai precisar de um inversor,
um aparelho que converte a DC (corrente direta) para a CA (corrente alternada).
A maioria dos grandes inversores também permitirão que controle automaticamente
como seu sistema funciona. Alguns módulos PV, chamados de módulos CA, na
verdade, já têm um inversor embutido em cada um, eliminando a necessidade de
uma grande central inversora e simplificando os problemas de instalação
elétrica. 


 

  

  Esquema
  geral de um sistema FV residencial com armazenamento de bateria 

 



Adicione
ao “hardware” de montagem instalação elétrica, caixas de junção, equipamento de
aterramento, proteção de sobrecarga, dispositivos de segurança para desconectar
sistemas usando CC e CA e outros acessórios, assim, você terá seu sistema. As
normas elétricas devem ser seguidas, e é altamente recomendado que a instalação
seja feita por um eletricista licenciado e que tenha experiência com sistemas
FV. Uma vez instalado, o sistema FV requer pouca manutenção (especialmente se
nenhuma bateria for usada) e fornecerá eletricidade limpa e clara por 20 anos
ou mais. 

Se os
fotovoltaicos são uma fonte tão boa de energia grátis, então, por que o mundo
todo não usa energia solar? Algumas pessoas têm um conceito errado da energia solar.
Enquanto a energia da luz solar é grátis, a eletricidade gerada pelos sistemas
FV não é. Como você pode perceber, para se ter um sistema doméstico FV, muito
equipamento é necessário. Atualmente, um sistema FV instalado vai custar em
torno de US$9 por Watt. Para dar uma idéia de quanto custa um sistema
doméstico, vamos considerar a Casa Solar (em inglês) - uma residência modelo em
Raleigh, Carolina do Norte, com um sistema PV montado pelo Centro Solar local
para demonstrar a tecnologia. É uma casa razoavelmente pequena e estima-se que
seu sistema PV de 3,6 kW cobre cerca da metade da eletricidade necessária total
(este sistema não usa baterias, é conectado à rede). Ainda assim, a 9 dólares
por Watt, este sistema instalado custaria cerca de 32 mil dólares. 

Esta é a
razão pela qual o FV é geralmente usado em áreas remotas, longe das fontes
convencionais de eletricidade. Hoje, ele não pode competir com os serviços
públicos. De qualquer modo, os custos estão reduzindo à medida que a pesquisa
está sendo feita. Os pesquisadores estão confiantes que o FV um dia terá um
custo eficaz nas áreas urbanas bem como em áreas remotas. Parte do problema é
que a fabricação precisa ser feita em larga escala para reduzir os custos o
máximo possível. Entretanto, o tipo de demanda para o FV não existirá até que
os preços caiam a níveis competitivos. É uma situação sem saída. Mesmo assim, a
demanda e a eficiência do módulo estão constantemente aumentando, os preços
caindo, e o mundo está se conscientizando cada vez mais dos problemas
ambientais associados às fontes convencionais de energia, fazendo dos
fotovoltaicos uma tecnologia com um futuro brilhante.