Glauco Diniz Duarte Empresário – como fazer celula fotovoltaica de silício
A célula fotovoltaica é o componente responsável por fazer toda a mágica da energia solar fotovoltaica acontecer: converter a energia armazenada na luz do sol em energia elétrica.
Portanto hoje mergulharemos na tecnologia que está por trás do funcionamento da célula fotovoltaica, a fim de compreender melhor como esse pequenino componente é capaz de transformar luz em eletricidade.
Além disso, veremos quais são os principais tipos de células fotovoltaicas que são utilizadas a nível comercial no Brasil, analisando suas principais características e diferenças entre si.
Também veremos alguns tipos alternativos de células fotovoltaicas que existem, que apesar de serem muito pouco utilizadas comercialmente, podem vir a se tornar mais viáveis futuramente.
Tal como eu já mencionei, uma célula fotovoltaica nada mais é do que um componente responsável por converter energia luminosa em energia elétrica.
Os módulos fotovoltaicos, popularmente chamados de painéis solares ou de placas solares, nada mais são do que uma associação de várias células fotovoltaicas.
Normalmente as células são associadas em série, porém existem alguns modelos mais novos de módulos em que células são associadas em série e paralelo.
As células fotovoltaicas são compostas de material semicondutor (principalmente de silício cristalizado, como veremos mais a frente).
Isso significa que, dependendo das condições sob as quais a célula fotovoltaica está submetida, ela pode conduzir ou não conduzir eletricidade. Veremos quais são essas condições adiante.
Célula fotovoltaica – Funcionamento
Veremos agora o que ocorre dentro da célula fotovoltaica quando ela é exposta à luz do sol: o efeito fotovoltaico. Antes disso, porém, devemos entender o que é o processo de dopagem da célula fotovoltaica.
Dopagem da célula fotovoltaica
Como eu já mencionei, a maior parte das células fotovoltaicas são compostas de silício. Porém, para que o efeito fotovoltaico ocorra, a célula de silício deve ser dopada. Esse process de dopagem nada mais é do que colocar impurezas no silício da célula fotovoltaica.
Em parte da célula (face superior), serão colocados átomos de elementos que possuem elétrons em excesso (como fósforo ou arsênio). Essa parte da célula é chamada de camada N, e funciona como se fosse o “polo negativo” da célula fotovoltaica (de uma maneira extremamente simplificada).
Na face inferior da célula, são colocados átomos de elementos que possuem escassez de elétrons (como o boro). Essa parte da célula é chamada de camada P, e funciona como se fosse o “polo positivo” da célula fotovoltaica.
Essa junção de duas camadas de silício, um com excesso de elétrons (camada N) e outro com excesso de cargas positivas (camada P) forma a célula fotovoltaica.
A área onde existe o contato entre a camada N e a camada P é chamada de junção PN. Na junção, certamente os elétrons irão querer migrar da camada N para a camada P, afinal cargas opostas se atraem. Porém isso não ocorre indefinidamente, graças a formação de um campo elétrico que não permite que os elétrons passem diretamente da camada N para a camada P.
É o fato de a camada N estar carregada negativamente e a camada P estar carregada positivamente (analogamente aos polos negativo e positivo de uma bateria), que dará origem ao efeito fotovoltaico.
O efeito fotovoltaico
Assim que a luz do sol incidir sobre a face superior (camada N) da célula fotovoltaica, os elétrons ficarão energizados e irão querer migrar da camada N para a camada P
Porém, tal como já mencionei, o campo elétrico que se forma na junção PN não permite que os elétrons migrem diretamente da camada P para a camada N.
Portanto, quando incidir luz sobre a célula nós teremos tensão elétrica (ou voltagem) porem não teremos corrente elétrica (ou amperagem).
Somente se fecharmos um circuito externo à célula, o qual conecte a camada N à camada P por meio de condutores, que nós teremos corrente elétrica.
Esse é, basicamente, o princípio do efeito fotovoltaico. A figura adiante resume tudo o que foi descrito até agora.
Espectro eletromagnético convertido em eletricidade
Tal como eu explico no artigo sobre o que é energia solar fotovoltaica, não é toda a energia do sol que chega à Terra em forma de luz visível. Uma grande parte dessa energia chega em forma de ondas eletromagnéticas que nós não somos capazes de enxergar, tal como está indicado na ilustração do espectro eletromagnético abaixo:
Quanto maior a frequência da onda eletromagnética, mais energia ela carrega. Nota-se que as ondas cujas quantidades de energia são as maiores são as ondas mais próximas do ultravioleta e acima.
Porém, para a célula fotovoltaica, essas ondas carregam energia demais, de modo que a célula não consegue transformar a energia dessas ondas em eletricidade. Essa energia acaba sendo transformada em calor na célula fotovoltaica e não em energia elétrica.
As ondas cujas quantidades de energia são as menores (próximas do infravermelho e abaixo) não conseguem fornecer energia o suficiente para que haja o efeito fotovoltaico nas células. Portanto, essas ondas também não gerarão eletricidade.
Dessa forma, é somente uma faixa muito estreita de ondas eletromagnéticas que carregam a quantidade de energia certa para dar origem ao efeito fotovoltaico: o espectro eletromagnético visível (ou seja, a luz).
Célula fotovoltaica – Principais tipos
As células fotovoltaicas mais comuns são as células de silício cristalizado (o tipo de célula fotovoltaica que está nos módulos fotovoltaicos comercialmente utilizados).
As células de silício cristalizado são fabricadas a partir do silício extremamente purificado (grau de purificação mínimo de 99,9999%). Esse silício é extraído da natureza em forma de cristais de quartzo.
Dentre as células de silício cristalizado, existem dois tipos: as células de silício monocristalino (Si-m) e as células de silício policristalino (Si-p).
Veremos agora quais são as principais características desses dois tipos de células fotovoltaicas, tal como as principais diferenças entre elas.
Célula fotovoltaica de silício monocristalino (Si-m)
A célula monocristalina, como o próprio nome sugere, é uma célula que é formada por um único cristal de silício.
Para fabricar esse tipo de célula, é necessário submeter o silício purificado a um método de fabricação denominado de método Czochralski. Este é um método muito custoso para produzir o silício monocristalino e, por isso, as células monocristalinas são mais caras do que as células policristalinas.
Não entrarei em detalhes sob esse método de fabricação. Basta saber que ao final do método se obtém lingotes de silício monocristalino (ou seja, formados por um único cristal de silício), tal como mostra a figura ao lado.
Esses lingotes são serrados na espessura da célula fotovoltaica (aproximadamente 0,3 mm de espessura) e a célula é cortada em formato octogonal (quadrado com as pontas cortadas).
Célula fotovoltaica de silício policristalino (Si-p)
A célula policristalina, como o próprio nome sugere, é uma célula formada por múltiplos cristais de silício.
O processo de fabricação deste tipo de célula é muto mais simples (portanto mais barato) do que o processo de fabricação da célula monocristalina.
Basicamente, se derrete o silício purificado e deixa-se o silício líquido solidificar na forma de um grande bloco cúbico. Então, as é feita a serragem do bloco de silício nas dimensões das células fotovoltaicas, tal como indicado na imagem ao lado.
Porém, quando se deixa o silício solidificar sem nenhum controle dessa forma, forma-se múltiplos cristais de silício. A presença de múltiplos cristais ao invés de um único cristal faz com que as células policristalinas possuam uma eficiência mais baixa do que as células monocristalinas.
Célula monocristalina X célula policristalina
Veremos agora quais são as principais diferenças entre esses dois tipos de células fotovoltaicas. Como eu já mencionei, ambas as células provém da mesma matéria prima, porém passam por processos de fabricação diferentes.
Quanto à suas estruturas atômicas, a célula fotovoltaica monocristalina possui uma estrutura organizada, provinda da formação de um único cristal de silício. Já na célula policristalina, nota-se uma estrutura atômica mais desorganizada, provinda da formação de múltiplos cristais de silício.
Quanto às diferenças visuais, a célula fotovoltaica policristalina apresenta manchas (devido a presença de múltiplos cristais de silício na estrutura atômica). Já a célula monocristalina não apresenta nenhuma mancha.
Além disso, a célula monocristalina possui um formato octogonal, devido ter sido extraída de lingotes cilíndricos. Já a célula policristalina é sempre quadrada.
Finalmente, as células monocristalinas são de melhor qualidade, no geral. Possuem eficiência um pouco melhor, vida-útil um pouco maior e são esteticamente mais agradáveis do que as células policristalinas.
Porém, essas vantagens ainda não conseguem justificar a diferença de valor entre as células monocristalinas e policristalinas. Portanto, as células policristalinas ainda vencem em relação ao custo-benefício, apesar de que o valor entre os dois tipos de células vem se estreitando. Porém a diferença entre a eficiência das células monocristalinas e policristalinas também vem diminuindo (às vezes, menor que 1%).
Esses são os dois tipos de células fotovoltaicas que são mais utilizadas comercialmente. Porém existem outros tipos de células fotovoltaicas com diferentes características, tal como veremos adiante.
Veremos agora alguns outros tipos de células fotovoltaicas que ainda não são amplamente comercializadas no Brasil (seja devido ao custo, devido à qualidade ou devido a ainda estarem sendo desenvolvidas).
Célula fotovoltaica de película fina (thin film)
Se você já viu algum painel solar curvo, ele provavelmente utiliza células fotovoltaicas de película fina. Uma das grandes vantagens desse tipo de célula é que elas são flexíveis.
Assim, consegue-se gerar energia elétrica mesmo em superfícies curvas ao se utilizar esse tipo de célula. Além disso, esse tipo de célula utiliza menos matéria prima e energia para ser fabricada. Também há uma maior facilidade em se realizar a dopagem das células de película fina.
Outra vantagem das células de película fina é que elas conseguem aproveitar a energia de uma parte mais ampla do espectro eletromagnético da radiação solar, quando comparadas com as células de silício cristalizado.
Então por que esse tipo de célula ainda não se difundiu pelo mercado? Devido ao fato de que elas ainda possuem uma eficiência muito baixa e uma vida útil muito reduzida (garantia de 10 anos por parte dos fabricantes, ao passo que as células de silício cristalizado possuem garantia mínima de 25 anos).
Isso faz com que as células fotovoltaicas de silício cristalizado ainda possuam um maior custo-benefício em relação às células de película fina.
Célula fotovoltaica híbrida Nada mais é do que uma junção da célula fotovoltaica de silício cristalizado com a célula fotovoltaica de película fina. Isso une a maior eficiência da célula de silício cristalizado com a aproveitamento de um espectro mais amplo de radiação solar da célula de película fina.
Dessa forma, as células híbridas possuem uma eficiência extremamente alta (algumas já chegaram a eficiências recordes acima de 25%, porém não a nível comercial).
Infelizmente, devido à mistura de duas diferentes tecnologias, as células híbridas possuem um preço muito elevado, o qual não justifica o ganho de eficiência para aplicações comerciais.
Célula fotovoltaica orgânica
Tal como as plantas convertem a energia do sol em alimento por meio de um pigmento denominado clorofila, as células fotovoltaicas orgânicas também convertem a energia do sol em eletricidade por meio de uma tinta orgânica.
Porém esse tipo de célula ainda não é muito comercializado devido para conseguir captar os elétrons livres originados do efeito fotovoltaico. Ou seja, o efeito fotovoltaico ocorre, porém há dificuldades em aplicá-lo a nosso favor nesse tipo de célula.
Célula fotovoltaica transparente
Ainda está em desenvolvimento, porém a promessa de que um dia poderemos substituir o vidro das janelas de casas e edifícios por células fotovoltaicas transparentes é de fato incrível.
Diferente das células comuns, que convertem o espectro visível da radiação solar em energia elétrica, as células transparentes convertem parte do espectro não visível em energia elétrica (raios ultravioleta e infravermelho).
Assim, toda a luz visível atravessa a célula, enquanto ondas eletromagnéticas invisíveis são absorvidas e transformadas em eletricidade.
Espera-se que essas células chegarão ao mercado com eficiências de cerca de 5% a 7% (menos da metade de células convencionais de silício cristalizado). A pergunta que não quer calar é: a que preço elas chegarão no mercado?
