O que é célula fotovoltaica?

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Célula fotovoltaica é um dispositivo que converte radiação solar em energia elétrica

Célula fotovoltaica
Imagem de Andreas Troll por Pixabay

Célula fotovoltaica, ou célula solar, é um dispositivo capaz de converter a radiação solar diretamente em energia elétrica por meio do efeito fotovoltaico. Existem diversos tipos de células solares, que são classificadas de acordo com os materiais utilizados em seu processo de fabricação. Os principais tipos de células fotovoltaicas são produzidos em silício, podendo ser cristalino, monocristalino (mono-Si), policristalino (multi-Si) e silício amorfo (a-Si).

No geral, são usadas 36, 60 ou 72 células fotovoltaicas interligadas em série para montar uma placa solar fotovoltaica (também chamada de painel solar ou módulo fotovoltaico), equipamento responsável pela geração de energia fotovoltaica.

O que é energia fotovoltaica?

A energia fotovoltaica é a energia obtida por meio da conversão direta da luz solar em eletricidade. O efeito fotovoltaico, relatado pelo físico Edmond Becquerel em 1839, pode ser entendido como o aparecimento de uma tensão elétrica nas extremidades da estrutura de um material semicondutor, produzida pela absorção da luz. A célula solar ou fotovoltaica é a unidade fundamental desse processo de conversão da luz solar em energia elétrica.

A energia fotovoltaica é considerada um tipo de energia renovável e limpa, que pode ser gerada para autoconsumo em instalações pequenas ou para abastecer estabelecimentos e indústrias em grandes usinas fotovoltaicas. Dessa maneira, além de poderem ser instaladas em residências, as células solares podem ser conectadas à rede de energia, auxiliando na diminuição de custos. Há casos em que os painéis produzem mais energia do que necessário, possibilitando sua venda para a rede elétrica.

Como a energia fotovoltaica funciona?

A energia solar fotovoltaica é uma fonte de energia renovável e limpa que utiliza a radiação solar para gerar eletricidade. Baseia-se no denominado efeito fotovoltaico, por meio do qual determinados materiais são capazes de absorver fótons (partículas luminosas) e liberar elétrons, gerando corrente elétrica.

Para isso, se utiliza um dispositivo semicondutor denominado célula solar ou célula fotovoltaica, que pode ser feito de silício monocristalino, policristalino ou amorfo, ou outros materiais semicondutores, como disseleneto de cobre e índio e perovskita. É importante destacar que a eficiência das células fotovoltaicas na conversão de luz solar em eletricidade é relativamente baixa, variando de 10% a 25%.

As células de silício monocristalino são obtidas a partir de um único cristal de silício e alcançam a máxima eficiência, entre 18% e 20% em média. As células de silício policristalino são elaboradas em bloco a partir de vários cristais e têm uma eficiência média situada entre 16% e 17,5%. Por último, as células de silício amorfo possuem uma rede cristalina desordenada, o que implica em um pior desempenho (eficiência média entre 8% e 9%), assim como um preço inferior.

As técnicas utilizadas para fabricar células fotovoltaicas feitas de silício monocristalino e policristalino são complexas e caras. Por isso, os painéis solares à base de silício amorfo são mais baratos. Vale ressaltar que a proporção de radiação solar incidente é outro fator que influencia na eficiência do processo de conversão da luz solar em eletricidade.

Quando a célula fotovoltaica é exposta à luz, parte dos elétrons do material iluminado absorve fótons. Os elétrons livres são transportados pelo material semicondutor até serem puxados por um campo elétrico, o qual é formado na área de junção dos materiais por uma diferença de potencial elétrico existente entre esses materiais semicondutores. Os elétrons livres são levados para fora das células de energia solar e ficam disponíveis para serem usados na forma de energia elétrica.

O sistema fotovoltaico não requer alta irradiação solar para funcionar. Contudo, a quantidade de energia gerada depende da densidade das nuvens, de forma que um número alto de nuvens pode resultar em uma menor produção de eletricidade em comparação a dias de céu completamente aberto.

O silício é o material mais utilizado na fabricação de células fotovoltaicas. No entanto, também podem ser usados equipamentos feitos de perovskita.

Tipos de células fotovoltaicas

Existem diversos tipos de células fotovoltaicas, que variam de acordo com os materiais utilizados em sua fabricação. Elas podem ser produzidas com silício, elementos de película fina, compostos orgânicos ou perovskita. Cada tipo de célula fotovoltaica apresenta suas características, vantagens e desvantagens.

  • Célula fotovoltaica de silício cristalino (silício monocristalino ou silício policristalino);
  • Célula fotovoltaica de película fina (silício amorfo ou disseleneto de cobre e índio);
  • Célula fotovoltaica de perovskita;
  • Célula fotovoltaica orgânica.

A quantidade de dispositivos móveis conectados à Internet está ficando cada vez maior, o que gera preocupações relacionadas à quantidade de energia elétrica disponível em rede. Nesse sentido, um estudo mostrou que as células fotovoltaicas orgânicas oferecem uma plataforma para coleta de energia interna para dispositivos móveis.

Sua vantagem sobre o silício é que os materiais podem ser projetados para atingir a máxima eficiência quântica para comprimentos de onda típicos de iluminação Diodo Emissor de Luz (LED). Combinando com a capacidade de recepção de dados, isso abre uma oportunidade significativa para dispositivos com alimentação própria, diminuindo essas preocupações.

Como escolher?

Como visto anteriormente, as células fotovoltaicas podem ser de diversos tipos. Para escolher o melhor deles e a quantidade certa para as suas necessidades, é preciso primeiramente considerar a quantidade de watts/hora gastos no seu imóvel, preço e espaço disponível.

A garantia oferecida pelo fabricante, design e acabamento dos módulos solares que contém as células também são fundamentais, já que garantem sua durabilidade. Uma célula fotovoltaica tem garantia de vida útil de pelo menos 25 anos, podendo chegar a 40 anos. Portanto, não faça sua escolha somente pelo preço.

Estudo revela segredos para o sucesso solar

Um estudo retratou como pesquisadores da The Australian National University (ANU) alcançaram um recorde mundial em eficiência de células solares. A pesquisa se concentrou em células fotovoltaicas de perovskitas - feitas com um grupo especial de materiais baratos e fáceis de fabricar.

O grupo alcançou 21,6% de eficiência na conversão de luz solar em eletricidade, um recorde para células solares de perovskita maiores que um centímetro quadrado. De acordo com o pesquisador principal, professor associado Tom White, eles conseguiram alcançar esse avanço adaptando uma técnica que já se mostrou bem-sucedida com células solares de silício.

"Um problema comum com as células solares é que qualquer defeito na célula pode prender elétrons, tirando a energia que eles ganharam ao absorver a luz solar", disse White. "Uma maneira de contornar isso é 'passivar’ a superfície revestindo o material que absorve a luz com uma camada fina de outro material para reduzir os defeitos. Mas os materiais usados ​​para reduzir os defeitos costumam ser maus condutores de eletricidade.

O Dr. Jun Peng, que propôs a solução para esse problema, explicou que "algumas células de silício usam buracos para deixar os elétrons passarem por essa camada isolante, criando uma espécie de via condutora. Decidimos adotar uma abordagem semelhante com nossas células de perovskita".

"A ideia por trás dele e as razões pelas quais ele funciona são as mesmas, mas nossos modelos nos mostraram que para fazê-lo funcionar em células solares de perovskita, precisaríamos fabricar esses orifícios na escala de nanômetros — milhares de vezes menores do que os usados ​​em silício", disse o Dr. Peng. "Assim, em vez de buracos, usamos hastes em nanoescala que perfuram a camada isolante."

Por fim, o professor associado Tom White concluiu que, no futuro, será possível alcançar eficiências ainda maiores com perovskita. Ainda, ele afirmou que o silício atingirá seu limite superior de eficiência muito em breve, fazendo com que as células de perovskita se tornem o caminho a seguir.

Apesar da crença de que a instalação é complicada ou burocrática, a energia solar fotovoltaica é uma alternativa econômica, prática e segura para obtenção de energia limpa. Caso tenha interesse na instalação completa – incluindo o financiamento – de um sistema de energia solar em sua casa, sem dor de cabeça, preencha o formulário abaixo para receber um orçamento.


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