Célula fotovoltaica

Uma célula solar, ou célula fotovoltaica, é um dispositivo elétrico que converte a energia da luz do Sol diretamente em energia elétrica através do efeito fotovoltaico.

O que é célula fotovoltaica?

Uma célula solar, ou célula fotovoltaica, é um dispositivo elétrico que converte a energia da luz do Sol diretamente em energia elétrica através do efeito fotovoltaico.

São usadas tradicionalmente 36, 60 ou 72 células fotovoltaicas interligadas em série para montar um painel fotovoltaico (Módulos Fotovoltaicos). A energia gerada pelos painéis fotovoltaicos é chamada de energia solar fotovoltaica.

A história da célula fotovoltaica

O efeito fotovoltaico foi demonstrado pela primeira vez em 1839 pelo físico francês Edmond Becquerel. Aos 19 anos, ele construiu a primeira célula fotovoltaica do mundo no laboratório de seu pai.

Em 1883 Charles Fritts construiu a primeira célula fotovoltaica em estado sólido. Ele revestiu o semicondutor selênio com uma fina camada de ouro para formar as junções. A célula fotovoltaica de Charles tinha apenas 1% de eficiência.

Em 1905 Albert Einstein propôs uma nova teoria quântica da luz e explicou o efeito fotoelétrico em uma de suas teses, pela qual recebeu o Prêmio Nobel de Física em 1921.

A primeira célula fotovoltaica comercial foi lançada em 25 de Abril 1954 pelo Laboratório Bell.

As células fotovoltaicas nas missões espaciais

As células solares foram utilizadas pela primeira vez no satélite Vanguard em 1958, como uma fonte de energia alternativa.

Em 1959 os Estados Unidos lançou o Explorer 6 com grandes painéis solares em forma de asa. Um total de 9600 células solares fotovoltaicas. Isso se tornou uma característica padrão na maioria dos satélites e até hoje ainda é a principal fonte de energia utilizada no espaço.

No início de 1990 a tecnologia utilizada nas células fotovoltaicas utilizadas no espaço mudou do tradicional silício cristalino para materiais semicondutores à base de arsenieto de gálio. Hoje, essas células fotovoltaicas evoluíram para a moderna tecnologia de multi junções.

Nota: As células fotovoltaicas de multi junção estão aos poucos se tornando competitivas e a tendência mundial é que em 5-10 anos estaremos usando elas em nossas casas.

O preço da célula fotovoltaica

Devido ao aumento constante da capacidade produtiva mundial de células fotovoltaicas, incentivos governamentais e aumento na demanda, as células fotovoltaicas tiveram uma redução de preço gigante nas últimas 4 décadas. O fato da energia elétrica ter ficado cara devido a diversos fatores, também contribuiu muito para o aumento do uso das células fotovoltaicas. O Gráfico abaixo mostra o declínio do preço da célula fotovoltaica.

A eficiência da célula fotovoltaica

“Eficiência é basicamente quanta energia elétrica a célula fotovoltaica é capaz de produzir por 1m² durante 1 hora de funcionamento em condições de laboratório (STC = 25°C – 1000W/m² - 1.5AM)” Ex: uma célula fotovoltaica de 18% de eficiência consegue produzir em condições de laboratório 180Watts por 1m² em 1 hora. Uma de 15% consegue produzir 150Watts e daí por diante.

Com as constantes melhorias tecnológicas e de processos industriais, a eficiência da célula continua aumentando. Veja o gráfico abaixo da NREL que mostra os avanços das diversas tecnologias fotovoltaicas.

Impacto ambiental da célula fotovoltaica

Para se produzir uma célula fotovoltaica é necessária a utilização de diversos gases e químicos. Hoje o controle de produção das células é extremamente alto é elas são produzidas em um ambiente controlado e todos os resíduos são tratados. Desta forma, o impacto ambiental das células é praticamente nenhum.

Os principais tipos de células fotovoltaicas

Células de silício cristalino

De longe, o material mais utilizado para a fabricação das células solares de silício cristalino é (C-Si), também conhecido como " silício de grau solar". Se você tem um painel solar em sua casa, 99% de chance que ele utiliza o silício cristalino como base para as suas células.

As células de silício cristalino são fatias de lingotes de silício cristalino que são depois tratadas quimicamente para que possam produzir energia elétrica com a luz do sol através do efeito fotovoltaico.

Células de silício monocristalino (mono-Si)

Estas células solares são mais eficientes que a maioria das outras. Os cantos das células são recortados, como um octógono, porque as lâminas de silício (Wafers) são cortadas a partir de lingotes cilíndricos, que são tipicamente cultivadas pelo processo Czochralski. Os painéis solares que utilizam células mono-Si exibem um padrão distinto de pequenos diamantes brancos. 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:

Célula se silício policristalino (multi-Si)

As células também são feitas de silício purificado, porém o processo de fundição é diferente. O silício purificado é fundido em grandes blocos. Células de silício policristalino são o tipo mais comum usado em painéis fotovoltaicos e são menos eficientes do que as feitas de silício monocristalino. 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 utilizam uma das duas células mostradas acima: Ou monocristalina ou Policristalina.

Célula fotovoltaica de filme fino (thin-Film)

Os painéis que usam a tecnologia de filme fino são feitos de uma forma completamente diferente dos tradicionais com células de silício cristalino. A maioria dos painéis de filme fino possuem eficiências de conversão de 2-3 pontos percentuais mais baixos do que o silício cristalino. Também é uma ótima tecnologia e utilizada em pequenas células fotovoltaicas como a de uma calculadora de escritório.

Telureto de cádmio (CdTe), Seleneto de cobre gálio índio (CIGS) e silício amorfo (a-Si) são as três tecnologias de filme fino mais utilizadas. A maior empresa fabricante de filme-fino do mundo é a First Solar (EUA) que usa os seus painéis principalmente em usinas solares.

Célula fotovoltaica de heterojunção (HJT)

Células de silício heterojunção consistem em camadas finas de silício amorfo depositadas em wafers de silício monocristalino. Esta combinação entre a tecnologia tradicional de silício cristalino com a de silício amorfo (filme fino) aumenta em 20% a eficiência das células e é provavelmente a tecnologia com o maior potencial de crescimento. Ou seja, em 10 anos talvez você já tenha painéis de HJT na sua casa.

Os perigos da célula fotovoltaica caseira

O risco de se utilizar um painel solar com células caseiras é altíssimo pois, a falta de um processo industrial faz com que esta célula não atinja os padrões de qualidade e segurança necessários. Ou seja, o seu painel solar com células fotovoltaicas caseiras pode ter um curto-circuito e colocar fogo na sua casa.

Caso você goste muito de energia solar e queira trabalhar com isso recomendamos você a fazer um curso de energia solar para aprender da forma correta como trabalhar com as tecnologias fotovoltaicas. Veja a nossa lista de cursos de energia solar aqui.

A célula fotovoltaica é o principal componente do painel solar. Se fossemos comparar um painel solar com um ser humano seria mais ou menos assim:

1. Os ossos seriam a lâmina de silício (wafer), ou seja, a estrutura de todo o nosso corpo.

2. Quando a lâmina é tratada e transformada em uma célula fotovoltaica isso seria o equivalente a colocarmos todos os músculos e órgãos vitais no nosso esqueleto. Ou seja, temos vida, mas não temos proteção contra o ambiente externo.

3. Quando colocamos estas células dentro de um painel fotovoltaico, o painel serve como proteção das células. Comparando com o nosso corpo, estamos agora adicionando a pele e pêlos para proteger os nossos órgãos e músculos.

Ou seja, a lâmina (wafer) é a estrutura, a célula é a vida e o painel é a proteção. Ou seja é fundamental que a célula fotovoltaica seja feita através de um processo controlado e que ela seja muito bem montada em um painel solar para evitar qualquer tipo de acidente.

Como funciona uma célula fotovoltaica
A célula fotovoltaica reage com a incidência dos raios do Sol e libera elétrons que, então, são transferidos para um circuito dentro de um painel solar, gerando assim energia elétrica. Para entender melhor como funciona a célula fotovoltaica veja Como Funciona o Painel Solar.

Da célula fotovoltaica ao sistema fotovoltaica

Conforme mencionamos antes, um painel solar de uso residencial ou em usinas é composto tradicionalmente por 60 ou 72 células fotovoltaicas.
Para você gerar energia elétrica suficiente para alimentar a sua casa ou empresa toda é necessário combinar estes painéis em um arranjo fotovoltaica e instalar os outros componentes do sistema fotovoltaico.

O sistema de energia solar fotovoltaica (ou gerador de energia solar) funciona da seguinte forma:

1. O Painel Solar Fotovoltaico produz energia elétrica em corrente continua.

2. O Inversor Fotovoltaico transforma esta energia em corrente alternada pronta para ser usada na sua casa ou empresa.

3. A energia elétrica produzida pelas células fotovoltaicas nos painéis e transformada pelo inversor é conduzida ao seu quadro de luz (quadro de distribuição)

4. Tudo o que estiver conectado na tomada ira automaticamente usar a energia gerada com a luz do Sol.

5. Se você produzir menos energia do que esta consumindo então o que lhe falta é fornecido automaticamente pela rede pública. Caso você produza mais energia do que esta utilizando esta energia excedente é jogada na rede pública e um novo relógio de luz (relógio de luz bi-direcional) irá contabilizar esta energia que ficará como um saldo positivo. Este saldo será automaticamente deduzido quando você precisar usar a energia da rede novamente. Ou seja, desta forma você pode fazer a troca com a rede elétrica e reduzir em 90% a sua conta de luz. (portalsolar)