1 Geração, Tipos e Caracteristicas de Celulas Fotovoltaicas

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Geração, Tipos e Características de Células Fotovoltaicas
Publicado em 28 de agosto de 2017 por Fabio Flandoli
Leia este fascículo até o final e pontue!
As células solares têm como objetivo converter a energia presente nos fótons da radiação da luz fornecida pelo Sol em energia elétrica nos seus terminais.
O primeiro aparecimento do efeito fotovoltaico aconteceu em 1839, quando Edmond Becquerel presenciou o aparecimento de uma tensão (diferencial de potencial) nos terminais de uma célula eletroquímica ao ser submetida à emissão de luz. Após 36 anos da descoberta desse efeito, foi desenvolvido, em 1876, o primeiro componente fotovoltaico proveniente dos avanços da física do estado sólido. Apenas em 1956 se inicia a produção em escala industrial, alavancada pelo significativo crescimento da área eletrônica.
Geração de células fotovoltaicas
As tecnologias empregadas nos sistemas fotovoltaicos são classificadas em três gerações, com predominância de 85% do mercado mundial na primeira geração.
Primeira geração
Dividida em duas cadeias produtivas, silício policristalino (p-Si) e silício mono-cristalino (m-Si), são consideradas tecnologias estabelecidas e confiáveis e têm a melhor eficiência comercialmente disponível.
Segunda geração
Também conhecida como filme fino, é encontrada com mais dificuldade no mercado e tem baixa participação, se comparada com os modelos de primeira geração. Embora apresentem menor rendimento, algumas empresas tendem a fabricar estruturas filme fino, pois alguns modelos podem ser dobrados ou simplesmente prensados internamente ao vidro.
Terceira geração
É formada por células fotovoltaicas do tipo multijunção e células fotovoltaicas para concentração, células sensibilizadas por corante e células orgânicas ou polímeras. Todas elas devem ter elevada eficiência, baixo custo e utilizar materiais abundantes na natureza. Essas tecnologias ainda estão em desenvolvimento e não contam com produção em larga escala, o que justifica seu alto custo.
 
Figura 3 mostra um gráfico comparativo entre as gerações das tecnologias fotovoltaicas, o custo e o rendimento.
Tipos e características de células fotovoltaicas
Uma célula solar é um dispositivo capaz de converter a energia dos fótons proveniente do sol em energia elétrica. A Figura 4 esclarece esse funcionamento:
Seu princípio de funcionamento baseia-se na capacidade de transmitir energia dos fótons da luz solar aos elétrons da camada de valência dos materiais semi-condutores que, ao receberem essa energia, conseguem romper as ligações que os mantêm ligados a um átomo. Assim, cada vez que esse efeito acontece, há uma vacância (falta de elétron em uma ligação rompida), ou seja, um espaço que antes era ocupado por um elétron se torna livre para que outro elétron ocupe seu espaço.
Esse movimento de elétrons em conjunto com a vacância resulta em uma circulação de corrente elétrica em um único sentido, que pode percorrer um circuito externo e liberar a energia cedida pelos fótons, para que assim consiga no seu retorno à fonte geradora criar pares de elétrons-vacância.
A célula fotovoltaica necessária para a criação da corrente elétrica é obtida pela união de dois semicondutores de diferentes dopagens: um semicondutor tipo P (excesso de lacunas – falta de elétrons que denominamos de vacância) e outro tipo N (excesso de elétrons). Ao uni-los, é criada a célula fotovoltaica.
A face iluminada será a do condutor tipo N e a não iluminada, a de tipo P.
Depois vêm os contatos, de maneira que a face não iluminada será coberta totalmente pelo contato elétrico (para oferecer menor resistência à passagem da corrente elétrica), e a face iluminada deve ter, de um lado, um contato o mais extenso possível para deixar menos resistente e, de outro, o menos extenso possível para deixar passar a maior quantidade de fótons. É habitual, portanto, encontrarmos contatos em forma de pente.
Normalmente é gerada uma tensão de 0,5 V e uma corrente de aproximadamente 2 A a 3 A, se a célula se mantiver a uma temperatura de 25°C.
O comportamento de uma célula fotovoltaica se mede construindo experimentalmente uma curva que relaciona as variações de corrente e tensão, que são geradas quando sobre ela incide uma quantidade determinada de radiação solar.
Essa curva é conhecida como a “curva I-V” de uma célula fotovoltaica.
A Figura 7 representa a variação que ocorre quando se tem a elevação da temperatura e da irradiação em uma localidade.
Células fotovoltaicas policristalinas
A maior diferença entre as tecnologias de silício está relacionada à sua eficiência, o silício policristalino apresenta menor rendimento na produção de energia e tem um formato quadrado com uma aparência quebradiça, devido a seu processo de fabricação, formado a partir da compactação de várias partículas de silício com dimensões na ordem de centímetros. Após essa compactação, os lingotes de silício são cortados em lâminas, de onde serão derivadas as células de silício policristalino fotovoltaica com espessura aproximada de 0,2 mm. Pesquisas apontam que em 2020 as células poderão alcançar espessuras da ordem de 0,12 mm, possibilitando a redução dos custos de fabricação em escala industrial.
Células fotovoltaicas monocristalinas
Diferentemente das células de silício policristalino, as de silício monocristalinocsão fabricadas a partir de um único cristal. A célula tem menos perda de eficiência por contato de fases.
O método mais fácil de identificar a diferença entre essas células é a sua ponta,
lugar em que as células do tipo monocristalino, por serem fabricadas e desenvolvidas a partir de um lingote redondo, tem suas pontas redondas. As células do tipo policristalino têm suas pontas em 90°, formando um quadrado.