Células Fotovoltaicas
Autor: Francisco Jaborandi | Publicado: 2012-02-29T11:31:00-08:00



Células
Fotovoltaicas







Sistemas
fotovoltaicos oferecem ao consumidor a capacidade de gerar
eltercidade de maniera lompa, quieta e confiável. Tais sistemas
compreendem células fotovoltaicas, dispositivos que convertem a
energia da luz diretamente em eletricidade, Uma vez que a fonte de
luz geralmente é o Sol, elas são denominadas células solares. 




O
termo fotovoltaica vem de “photo”, significando luz e “voltaico”,
refer-se a procução de eletricidade. Portanto, o processo
fotovoltaico é a produção de energia elétrica diretamente da luz
do Sol. Embora o efeito fotovoltaico tenha sido observado em 1839
pelo cientista francês Edmund Becquerel, ele não foi totalemnte
compreendido até o desenvolvimento da teoria quântica e da física
do estado sólido, a partir do ano de 1900.



Desde
a sua primeira aplicação comercial, alimentando os satélites do
programa espacial americano em 1950, a tecnologia de sistemas
fotovoltaicos tem progredido significativamente até a presente data.



Princípio
de Funcionamento



As
células fotovoltaicas convertem diretamente a luz do Sol em
eletricidade sem originar qualquer tipo de poluente, seja no ar ou na
água. As células fotovoltaicas são construídas com pelo menos
duas camadas de material semi condutor. Uma camada possui carga
positiva e a outra, carga negativa. Quando a luz penetra na  célula,
alguns fótons da luz são absorvidos pelos átomos do material semi
condutor, deslocando seus elétrons e assim liberando-os  da camada
negativa originando assim, um fluxo de elétrons que passa pelo
circuito externo e retorna à camada positiva. Este fluxo de elétrons
é que produz a corrente elétrica. 


O
efeito no qual uma célula fotovoltaica converte a luz do Sol em
eletricidade é chamado de efeito fotovoltaico.







Esquema de célula fotovoltaica.







External
cicuit – circuito externo

Sunligh
– luz solar (fótons)

Encapsulated
seal – isolamento

Top
electrical contact- contato elétrico superior

P-Type
material – material tipo P (boro dopado com silício

P-N
junction – interface entre as camadas de material do tipo P e N

N-Type
material -  material do tipo N (fósforo dopado com silício)

Base
contact – base 







A
fim de aumentar a sua capacidade, dezenas de células são
interconectadas e fixadas a uma superfície resistente as intempéries
chmada de módulo ou painel fotovoltaico. Quando dois módulos são
conectados juntos e em série, a voltagem é duplicada enquanto a
corrente é mantida constante. Para obter a corrente e a voltagem
necessárias, os painéis podem ser conectados em série e em
paralelo formando uma distribuição de painéis chamada de matriz
fotovoltaica.






Painel e matriz fotovoltaicos.









Cell
-célula fotovoltaica.

Module
– módulo ou painel fotovoltaico.

Array
– matriz fotovoltaica.






A
flexibilidade da montagem dos módulos permite aos projetistas criar
sistemas de potência fotovoltaica capazes de  atender qualquer
necessidade, seja ela grande ou pequena.



Um
sistema fotovoltaico completo não consiste apenas dos painéis
fotovoltaicos. É necessário que o sistema esteja estabilizado
incluindo componentes como: estrutura, fiação, armazenamento,
conversores, etc.



Atualmente
existem dois tipos de sistemas comerciais fotovoltaicos:


De
 placas plana;


Concentradores.





Enquanto
os sistema fotovoltaico mais comum  que é o de placas planas
constrói os seus painéis fotovoltaicos  sobre uma superfície
rígida e plana para capturar a luz solar, os concentradores  fazem
uso de lentes  a fim de concentrar a luz solar sobre as células
fotovoltaicas, aumentando assim, a potência de saída delas.













Sistema de placas planas.







Sistema com concentradores.




Comparando
os dois sistemas, o de placa planas são bem menos complicados, porém
empregam um elevado número de células fotovoltaicas, enquanto que
os sistemas concentradores fazem uso de menor área para as células
porém requerem um sistema mais sofisticado e caro para o
rastreamento do Sol. Incapazes de concentrar raios luminosos difusos,
os sistemas concentradores não trabalham bem sob um céu nublado.



Tipos
de materiais empregados na confecção de células fotovoltaicas.



As
células fotovoltaicas são feitas de materiais semicondutores. A
maioria desses materiais têm estrutura cristalina ou são filmes
finos, que variam na eficiência de absorção da luz, de conversão
de energia, tecnologia de fabricação e custo de produção.



Materiais
Cristalinos.



Mono
cristal de silício



Células
fotovoltaicas à base de monocristais de silício são as mais
comumentes encontradas na indústria.

A
principal técnica para fabricar este tipo de célula é chamada de
técnica ou método de Czochralski.

Um
poli cristalino de elevada pureza é fundido em um cadinho de
quartzo. Um grão do mono cristal de silicone é semeado
profundamente dentro da massa fundida de poli cristalino. Quando o
grão é retirado lentamente da massa fundida, obtém-se um lingote
desse mono cristal. Os lingotes são entã serrados na forma de finos
waffers, na faixa de 200-400 micrômetros de espessura os quais são
polidos, dopados, revestidos, interconectados e moldados em painéis
e matrizes fotovoltaicas.


&nbsp;método de Czochralski.

 






Um
monocristal de silício tem estrutura molecular uniforme que
possibilita uma capacidade maior de conversão de energia se
comparado a materiais não cristalinos para uma dada área de
exposição solar.

A
eficiência de conversão para o monocristal de silício produzido
comercialmente está na faixa entre 15% e 20% além da confiabilidade
em aplicações externas.




waffer de silício monocristalino.






Silício
Poli cristalino



Consistindo
de pequenos grãos de silício mono cristalino, as células
fotovoltaicas poli cristalinas apresentam  menor eficiência do que
células à base  de silício mono cristalino. Os contornos de grão
no silício poli cristalino obstruem o fluxo de elétrons, reduzindo
a potência de saída da célula. 




A
eficência na conversão de energia de células fotovoltaicas poli
cristalinas encontra-se na faixa de 10% a 14%.

Comparado
com o silício mono cristalino, o silício poli cristalino é mais
forte e pode ser cortado com 1/3 da espessura do material mono
cristalino.



Silício policristalino.



Arsenieto
de Gálio.



É
um composto semicondutor feito de dois elementos: o Gálio (Ga) e o
Arsênio (As). O GaAs possui uma estrutura cristalina similar a do
silício com a vantagem de apresentar um elevado nível de absorção
da luz. Para absorver a mesma quantidade de luz solar, o GaAs requer
apenas uma camada de alguns micrômetros de espessura, enquanto o
cristal de silício necessita de um “waffer” de cerca de 200-300
micrômetros de espessura. Além do mais, o GaAs tem maior eficência
de conversão de energia do que o cristal de silício, atingindo
cerca de 25 a 30%. Sua alta resistência ao aquecimento torna-o a
escolha ideal para sistemas concentradores nos quais a temperatura é
elevada. O GaAs é também muito popular em aplicações espaciais,
onde a forte resistência ao dano por radiação e alta eficência
são requisitos.



A
maior desvantagem das células fotovoltaicas de GaAs é o elevado
custo do substrato  mono cristalino no qual o GaAs é obtido., por
isso é mais frequentemente aplicado em sistemas concentradores onde
apenas uma pequena área de células de GaAs é necessário.



Painel de GaAS.



Materiais
de Filmes Finos.



Em
uma célula fotovoltaica de filme fino, uma fina camada de material
semi condutor é depositada sobre uma camada suporte de baixo custo,
tal como o vidro, metal ou folha plástica. Uma vez que materiais de
filmes finos apresentam maior nível absorção de luz do que
materiais cristalinos, a camada depositada de material fotovoltaico é
extremamente fina. Isto é, de alguns micrômetros podendo ser de até
menos de um micrômetro (uma única célula amorfa pode ter menos de
1,0 micrômetro). Camadas finas de material possibilitam expressiva
economia de custos.



As
técnicas de deposição nas quais o material fotovoltaico é
diretamente espalhado sobre o vidro ou substrato metálico são
baratas. O processo de fabrico é mais rápido, dispendendo menos
energia e a fabricação em massa é mais fácil do que a produção
de lingotes de cristal de silício.



Contudo
as células fotovoltaicas de filmes finos apresentam pobre eficiência
de  conversão de energia devido a sua estrutura não ser mono
cristalina, sendo necessário painéis fotovoltaicos de maior área,
aumentando os custos de montagem das matrizes fotovoltaicas.





Alguns
materiais usados nos filmes finos de células fotovoltaicas são:



Silício
amorfo (a-Si). 




Usado
na maior parte dos produtos eletrônicos que requerem baixa potência
de saída e baixo custo de produção, o silício amorfo tem sido o
filme fino dominante desde a sua descoberta em 1974.



O
silício amorfo é uma forma não cristalina do silício, isto é,
seu átomos de silício encontram-se em uma estrutura desordenada.
Uma vantagem significante do a-Si é a sua alta capacidade de
absorção da luz, cerca de 40 vezes maior do que a silício mono
cristalino. Assim, uma única camada de a-Si é suficiente para
produzir células fotovoltaicas (cerca de 1,0 micrômetro de
espessura contra 200 ou mais das células cristalinas de silício).



O
a-Si pode ser depositado sobre vários substratos de baixo custo,
incluindo o aço, vidro e plástico. Seu processo de manufatura
requer baixas temperatura e portanto, menos energia, Logo, o custo
total de material e de produção são menores por unidade de área
se comparado àqueles das células de cristal de silício.



Apesar
das promissoras vantagens econômicas, o a-Si tem dois grandes
obstáculos a vencer. Um deles é a baixa eficiência de conversão
de energia (5 a 9%). O outro é a confiabilidade em uso externo, no
qual a  eficiência diminui após alguns meses de exposição ao Sol,
perdendo em torno de 10 a 15%.







Painel de filme fino de a-Si.





Telureto
de cádmio (CdTe).



Condutor
poli cristalino composto de cobre, irídio e selênio, CIS, tem sido
uma das maiores áreas de pesquisa na indústria de filmes finos. A
razão para isso é por que o CIS apresenta a maior eficiência na
conversão de energia (17,7%) sem padecer de problemas de desgaste
pela exposição solar. O CIS tem demonstrado que células
fotovoltaicas de filmes finos são uma escolha viável e competitiva
para a indústria solar do futuro. 




O
CIS apresenta elevado nível de absorção da luz: 0,5 micrômetros
podem absover 90% do espectro solar. A complexidade de seus materiais
torna difícil o seu fabrico. Em adição medidas de segurança devem
ser levadas em consideração, pois seu processo de manufatura
envolve selenieto de hidrogênio, um gás extremamente tóxico.






Matriz fotovoltaica de TeCd.









Conclusão.



Cristal
de silício tem sido o carro chefe das células fotovoltaicas nas
décadas passadas. Todavia o progresso recente com a tecnologia de
filmes finos tem levado muitos especialistas a crerem que células
fotovoltaicas de filmes finos irão eventualmente dominar o emrcado e
atingir as metas de baixo preço e confiabilidade no suprimento de
energia elétrica.