Células Fotovoltaicas

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.

 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.