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Entenda o que é uma célula fotovoltaica

por Alessandra Neris

Você já conhece o painel solar. E o que é uma célula fotovoltaica, já ouviu falar? Trata-se de um dispositivo elétrico que converte a energia solar em energia elétrica por intermédio do efeito fotovoltaico. Os variados tipos de células fotovoltaicas recebem uma classificação em função do material usado. Dessa forma, são produzidas em silício mono e policristalino e silício amorfo.

Assim, para equipar uma placa solar, é preciso usar 36, 60 ou 72 células ligadas entre si, em série. É dessa maneira que se compõe esse equipamento que gera energia elétrica captada do sol. Então, a produção de energia elétrica necessária para abastecer uma casa ou uma empresa requer a combinação desses painéis em um arranjo fotovoltaico. E juntamente com ele, instala-se outros componentes que complementam o sistema.

Como surgiu a célula fotovoltaica

Em 1839 o físico francês Edmond Becquerel demonstrou pela primeira vez o efeito fotovoltaico. Ele construiu a primeira célula fotovoltaica aos 19 anos de idade, no laboratório de seu pai. Depois disso, em 1883, Charles Fritts desenvolveu a primeira célula fotovoltaica em estado sólido, apresentando apenas 1% de eficiência. Na experiência, o semicondutor selênio foi revestido com uma fina camada de ouro a fim de compor as junções.

Na sequência, em 1905, Albert Einstein apresentou uma nova teoria quântica da luz e, em uma de suas teses, explicou o efeito fotoelétrico, o que rendeu o Prêmio Nobel de Física em 1921. Assim, no dia, 25 de abril de 1954, foi lançada a primeira célula fotovoltaica pelo Laboratório Bell.

Missões espaciais e células fotovoltaicas

Em 1958, essas células foram usadas pela primeira vez no satélite Vanguard como fonte alternativa de energia. No ano seguinte, os EUA lançaram o Explorer 6, com grandes painéis solares em formato de asa, totalizando 9600 células fotovoltaicas. Depois disso, criou-se um padrão na maioria dos satélites que, até hoje recorrem à energia solar como principal fonte no espaço.

Então, a partir de 1990, a tecnologia das células fotovoltaicas migrou do tradicional silício cristalino para materiais semicondutores baseados em arsenjeto de gálio. Hoje, a evolução das células solares chegou à tecnologia de multijunção. Destacamos que essa tecnologia está, pouco a pouco, se tornando competitiva. Dessa forma, há uma tendência global, de que se tornem comuns nas casas dentro de 5 a 10 anos.

Importância da célula fotovoltaica no sistema solar

O que é uma célula fotovoltaica no painel solar? Ela é seu principal componente. Se compararmos esse sistema com o corpo humano, os ossos seriam a lâmina de silício. E, quando essa lâmina é tratada e transformada em célula fotovoltaica, esse processo equivale à acomodação dos órgãos vitais e músculos no esqueleto. Em seguida, ao adicionarmos as células solares no interior de um painel fotovoltaico, elas ficam protegidas. E essa é a mesma proteção que a pele e os pelos conferem ao nosso corpo. Por isso, é fundamental que esse dispositivo seja elaborado por meio de processos controlados e de maneira industrial. Isso é essencial para evitar acidentes graves.

Riscos da célula fotovoltaica não industrial

Células fotovoltaicas caseiras são extremamente perigosas, uma vez que essas não levam o processo industrial responsável pelo padrão de qualidade necessário à segurança do equipamento. É possível até a ocorrência de um curto-circuito, causando incêndio no local de instalação.

Funcionamento da célula fotovoltaica

As células fotovoltaicas são fabricadas com materiais semicondutores. Então, quando os fótons as atingem, alguns elétrons que circundam os átimos se soltam e se deslocam para uma região com ausência de elétrons. Dessa forma, cria-se uma corrente elétrica, conhecida como energia solar fotovoltaica.

É assim que a célula fotovoltaica reage. É por meio da incidência do sol que ela é capaz de liberar elétrons. Estes, por sua vez, são migrados para um circuito dentro do módulo solar (painel solar).

Tipos de células fotovoltaicas

Conforme já dissemos, o material indicado para produzir células fotovoltaicas são os semicondutores, os quais já mencionamos anteriormente. Então, a seguir falaremos brevemente sobre os tipos de células já disponíveis no mercado:

Silício cristalino (C- Si)

É o tipo mais comum, também conhecido como “silício de grau solar”. Essas células são fatias de lingotes de silício cristalino, tratadas quimicamente para produzir energia elétrica por meio da luz solar.

Silício monocristalino (mono – Si)

Essas células são as mais eficientes e seus cantos são recortados na forma de octógono. Isso porque as lâminas de silício (wafers) são fatiadas a partir de lingotes cilíndricos, tipicamente cultivadas pelo processo Czochralski.

Assim, painéis solares produzidos por células mono-Si apresentam um padrão diferenciado de pequenos diamantes brancos.

Silício policristalino (multi-Si)

São células produzidas de silício purificado, contudo, seu processo de fundição é feito em grandes blocos. Esse tipo de célula é menos eficiente que as de silício monocristalino. Destacamos que a maioria dos painéis usados em residências, indústrias e usinas de energia solar são feitos de silício mono e policristalino.

Filme fino

Os painéis feitos de filme fino apresentam uma configuração completamente distinta dos outros dois tipos acima descritos. A eficiência de conversão da maioria dos painéis desse material é de 2 a 3 pntos percentuais mais baixa que o silício cristalino. É também uma tecnologia muito boa, usada em pequenas células fotovoltaicas, por exemplo: calculadora de escritório.

Assim sendo, as três tecnologias de filme fino mais usadas são: e silício amorfo (a-Si), seleneto de cobre gálio índio (CIGS) e telureto de cádmio (CdTe). Além disso, o maior fabricante de filme fino do mundo é o First Solar (EUA), adepto de seus painéis, principalmente nas usinas solares.

Silício amorfo (a-Si)

Esse tipo de célula é aplicado em pequena escala, ou seja, é pouco usada, por isso, sua tecnologia de produção de energia elétrica é baixa. Soma-se a esse fato, sua produção pelo método de “empilhamento”, que resulta em custo elevado. Assim sendo, suas camadas de silício amorfo podem ser conjugadas a outras com a finalidade de aumentar sua eficiência entre 6 e 9%.

Seleneto de cobre índio e gálio (CIGS)

Os níveis de eficiências das células feitas com esse material, nas placas solares, estão entre 10 e 12%. Com isso, ela supera outras tecnologias, como as células a-Si. Além disso, elas são feitas com menor quantidade de cádmio, um material tóxico. Assim, seu nível de eficiência, no Brasil, pode chegar até 13%.

Telureto de cádmio (CdTe)

Em placas solares de película fina, sua operação apresenta o melhor custo-benefício, uma vez que sua eficiência média está em torno de 9 a 16%.

Arseneto de gálio

Sua eficiência é de 28%, o que resulta em um alto custo de aquisição. No entanto, essa célula tem estrutura de material semicondutor e é composta de químico sintético. Isso permite a formação de novas células fotovoltaicas de uma maneira prática. Contudo, seu uso está disponível apenas para a indústria espacial.

Célula fotovoltaica híbrida (HJT – Heterojunção)

Essas células são consistentes de camadas finas de silício amorfo dispostos em wafers de silício monocristalino. Trata-se, portanto, de uma combinação entre silício amorfo (filme fino) com a tecnologia tradicional de silício cristalino. E isso proporciona um aumento de 20% na eficiência das células, o que a torna a tecnologia com maior potencial de crescimento. Então, em 10 anos, é provável que a sua casa comporte painéis de HJT.

Célula fotovoltaica orgânica (OPV)

Sua aplicação ocorre a partir de um ramo eletrônico orgânico, que usa pequenas células orgânicas ou condutores para absorver a luz solar. Dessa forma, transporta a carga de energia elétrica para produzir eletricidade renovável e limpa. Em virtude de seu caráter eficiente e flexível, hoje essa tecnologia é usada em sistemas fotovoltaicos de baixo custo. Assim, está presente principalmente em casas e estabelecimentos comerciais de pequeno e médio porte.

Valor e eficiência da célula fotovoltaica

Nas últimas quatro décadas, esse equipamento sofreu uma redução de custo significativa. E isso se deve ao aumento da demanda e do contínuo da capacidade produtiva desse material, assim como dos incentivos governamentais. O aumento do uso das células fotovoltaicas também é motivado pelo encarecimento do preço da energia elétrica convencional.

Por outro lado, sua eficiência é medida pela capacidade de produzir energia durante 1 hora, por 1 m2, em condições laboratoriais. Por exemplo: Nas condições mencionadas, uma célula fotovoltaica de 18% de eficiência produz 180 Watts por 1 m2 em 1 hora. Já, uma célula de 15% produz 150 Watts e por aí vai. Vale acrescentar que as constantes melhorias tecnológicas contribuem com esse aumento.

Impacto ambiental causado pela célula fotovoltaica

Sua fabricação requer o uso de diversos produtos químicos, então, hoje o controle durante sua produção é muito rigoroso. Assim sendo, elas são produzidas em ambiente controlado, com tratamento de todos os resíduos, levando a um impacto ambiental praticamente zero.

Concluindo

É interessante acompanhar a evolução de um projeto tecnológico tão importante. Muita gente sequer sabe o que é uma célula fotovoltaica e que ela a essência do sistema solar. O aperfeiçoamento dos equipamentos fotovoltaicos atravessaram um século inteiro. E, somente agora, com tanta urgência para substituir os velhos padrões por energia sustentável, é que estamos, finalmente, avançando na adoção da energia solar. Antes tarde (mas, não muito) do que nunca!

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