Célula fotovoltaica

A descoberta do efeito fotovoltaico se deu em 1839, quando o cientista Alexandre Edmond Becquerel observou o aparecimento de uma diferença de potencial nos terminais de uma célula eletroquímica quando esta absorvia luz visível. Então, em 1883, surgiram os primeiros dispositivos denominados células fotovoltaicas. Na década de 1950, devido a corrida espacial, surgiram inúmeras tecnologias, principalmente no ramo da eletrônica, que impulsionaram a produção industrial em larga escala das células. Neste período foram feitas as primeiras células de Silício Cristalino, as quais atingiram um eficiência de conversão de 6% e uma potência de 5mW, um desempenho bastante alto para a época. O preço dessas tecnologias diminuiu bastante e hoje já são fabricadas células com eficiência na ordem dos 30% e com preços acessíveis (CRESESB, 2014).

O efeito fotovoltaico pode ser definido como a transformação da radiação solar diretamente em corrente elétrica utilizando células fotovoltaicas, as quais são fabricadas a partir de materiais semicondutores (DI SOUZA, 2016). Os semicondutores são constituídos por átomos que possuem banda de valência totalmente preenchida por elétrons e uma banda de condução vazia, na temperatura de zero absoluto (0K). A principal característica que diferencia os semicondutores dos outros materiais (condutores e isolantes) é a quantidade de energia que separa a banda de condução da banda de valência, o espaço entre elas é denominado banda proibida, ou gap, e é representada por Eg, podendo atingir valor máximo igual a 3eV (elétron-volt) (CRESESB, 2014). A Figura 8 esquematiza a diferença entre os isolantes, semicondutores e condutores.

isolantes

FONTE: CRESESB (2014).

A condutividade dos semicondutores é diretamente proporcional à temperatura devido à excitação térmica dos elétrons, os quais tendem a deixar a banda de valência e migrarem para a banda de condução, deixando na primeira as lacunas, que são os portadores de cargas positivas. Por isso, em temperaturas superiores a 0K, há sempre no semicondutor o mesmo número de lacunas e de elétrons livres nas bandas de valência e condução, respectivamente, denominados portadores intrínsecos. A propriedade fundamental que permite os semicondutores serem os principais elementos das células fotovoltaicas é a capacidade de geração de pares elétron-lacuna quando fótons, com energia superior a Eg, incidem no material. A absorção da energia proveniente dos fótons resulta em dissipação de energia em forma de calor (CRESESB, 2014).

As lacunas e os elétrons fotogerados podem mover-se dentro do material, aumentando sua condutividade gerando o chamado efeito fotocondutivo. Este princípio é aproveitado para a fabricação de fotocélulas e fotoresistores (CRESESB, 2014). Porém, esse efeito não é suficiente para gerar o potencial elétrico adequado para o funcionamento das células fotovoltaicas. Para que seja possível o aproveitamento da corrente e da tensão elétrica é necessário dopar o semicondutor.

A dopagem é o processo em que são adicionadas impurezas à rede cristalina formada pelos semicondutores. Primeiramente adicionam-se os dopantes tipo P, e depois são adicionados os dopantes tipo N. Os dopantes tipo P são materiais com déficit de elétrons (elementos trivalentes, geralmente o boro), que quando combinados com o semicondutor (elementos tetravalentes, geralmente o Si) formam íons positivos,

originando regiões com “lacunas”, denominadas camada tipo P. Já os dopantes tipo N são elementos que possuem excesso de elétrons (elementos pentavalentes, geralmente o Fósforo), quando combinados com o semicondutor formam íons negativos, originando regiões com elétrons livre, denominadas camada tipo N (CRESESB, 2014). A Figura 9 mostra e rede cristalina de um semicondutor dopado com elementos tipo P e N.

Figura 9 - Estruturas moleculares dos semicondutores P e N

FONTE: VILLALVA (2012).

A dopagem do semicondutor resulta na formação da junção P-N. Os elétrons livres da camada tipo N fluem para ocupar as lacunas na camada tipo P até gerar um campo elétrico na região de transição entre as camadas, conhecida como zona de depleção (DI SOUZA, 2016). Quando o material semicondutor dotado de junção P-N é exposto a luz visível, com fótons que possuem energia superior à Eg, os elétrons conseguem quebrar a zona de depleção e passar da camada N para a camada P, formando uma diferença de potencial. Se forem conectados eletrodos metálicos em cada uma das junções, os elétrons circularão entre as junções formando uma corrente elétrica, denominada fotocorrente, esta corrente circulará enquanto o material estiver exposto a luz (DOS SANTOS, 2016 apud VILLALVA; ZILLES, 2012). A Figura 10 representa um esquemático da estrutura básica de uma célula fotovoltaica.

Figura 10 - Estrutura básica de uma célula fotovoltaica de silício destacando: (1) região tipo N; (2) região tipo P; (3) zona de carga especial onde se formou a junção P-N e o campo elétrico; (4) geração de par elétron-lacuna; (5) filme antireflexivo (6) contatos metálicos

FONTE: CRESESB (2014).

As células fotovoltaicas podem ser fabricadas a partir de diversos semicondutores sendo que cerca de 90% das células no mercado são produzidas a partir do Silício Cristalino (GARRIDO, 2010), devido a sua abundância (segundo elemento mais abundante na Terra) e preço baixo. Os tipos mais comuns de células fotovoltaicas são fabricados com silício monocristalino, silício policristalino e filme fino de silício amorfo (pequena escala de comercialização) (DI SOUZA, 2016).

As células de silício monocristalino (m-Si) são produzidas a partir de cristais de Si, obtido pelo método de Czochalski. Estas células apresentam preço alto, porém possuem eficiência elevada, se comparada às demais, o que possibilita a fabricação de módulos em escala comercial com eficiência de 15 a 18% (DI SOUZA, 2016). As células de silício policristalino (p-Si) são produzidas a partir de um bloco de Si multi-cristalino, apresentam menor eficiência, se comparada as m-Si, 13 a 15%. Porém como seu custo de produção é menor, possui preços reduzidos no mercado (SANTANA, 2011 apud GREEN, 2004). As células de filme fino de silício amorfo (a-Si) tiveram sua tecnologia

desenvolvida recentemente, apresentam baixa eficiência (5 a 9%). Além disso, apresentam degradação de eficiência ao longo do tempo. Porém, apresentam baixo custo de produção por utilizar menos matéria prima, são leves, podem ser utilizados em superfícies curvas e apresentam espessura bem reduzida (DI SOUZA, 2016).

As células fotovoltaicas apresentam eficiência relativamente baixa, pois de toda radiação que incide sobre elas, apenas 13% é utilizável para produção de energia (DI SOUZA, 2016). Dentre os fatores que limitam a eficiência das células fotovoltaicas estão a reflexão na superfície frontal, sombreamento, absorção de fótons com gap inferior a Eg, impurezas da matéria-prima utilizada para a confecção das placas e perdas devido a resistências dos condutores (CRESESB, 2014).