As células compostas de material semicondutor, ao serem expostas à luz, sofrem o efeito fotovoltaico, descoberto por Edmond Becquerel em 1839, que implica no aparecimento de uma diferença de potencial nos terminais de uma célula eletroquímica causada pela absorção de luz (PINHO; GALDINO, 2014).Construtivamente, trata-se de uma junção entre duas finas camadas de semicondutores com diferentes características. Quando um fóton de luz com
quantidade suficiente de energia penetra na célula próximo a junção P-N e encontra um átomo de silício, libera um de seus elétrons, deixando para trás uma lacuna onde antes havia uma ligação. Cria-se assim uma tensão elétrica na junção e havendo continuidade elétrica no circuito, o elétron migrará para a camada tipo N onde será coletado na superfície frontal da célula, gerando uma corrente elétrica no circuito,se houver carga (PINHO; GALDINO, 2014).
A corrida espacial e a crise do petróleo de 1973 foram agentes impulsionadores do desenvolvimento da indústria fotovoltaica no mundo. No final da década de 90, políticas de governo na Alemanha e no Japão resultaram em aumentos substanciais no desenvolvimento desse mercado, em parte pelo compromisso com a redução de CO2, conforme previsto pelo Protocolo de Kyoto e em parte para desenvolver o mercado dessa tecnologia para exportação(PINHO; GALDINO, 2014).
Observou-se a partir de 2012 um crescimento expressivo na instalação de módulos na China e na Índia, graças a políticas de incentivo, como preços relativamente baixos de módulos fotovoltaicos e programas de eletrificação rural em larga escala. Na China, a política mais agressiva está voltada para a produção e exportação de células e módulos fotovoltaicos. As indústrias instaladas em países asiáticos, não necessariamente com tecnologia desenvolvida nacionalmente, dominam o mercado mundial de produção de módulos. No entanto, deve-se observar que muitas empresas européias e norte-americanas deslocaram suas fábricas para a Ásia, em busca de redução de custos de produção, em função da existência de uma cadeia produtiva estabelecida, mão de obra qualificada e barata e incentivos por meio de fontes de financiamento para implantação de fábricas (PINHO; GALDINO, 2014).
A tecnologia de conversão fotovoltaica tem evoluído gradativamente, representando células com eficiência cada vez maiores. Dentre os semicondutores utilizados atualmente, pode-se destacar as seguintes por ordem decrescente de maturidade e utilização (TIEPOLO, 2015):
Silício cristalino (células de primeira geração): o Silício monocristalino: m-Si;
o Silício policristalino: p-Si;
Filmes finos (células de segunda geração): filmes finos de silício ou outros materiais, depositados sobre substratos rígidos ou flexíveis:
o Silício amorfo hidrogenado: a-Si; o Telureto de Cádmio: CdTe;
o Disseleneto de Cobre e índio: CIS;
o Disselenteto de Cobre, Gálio e Índio: CIGS; o Arsenieto de Gálio: GaAs;
o Silício microamorfo ou microcristalino: μa-Si / μc-Si;
Células orgânicas, híbridas orgânicas/inorgânicas (células de terceira geração);
Embora a eficiência de todas as tecnologias tenha evoluído, a tecnologia de wafer-based, ou seja, de silício cristalino sobressai-se por corresponder a 90% da produção mundial (INTERNATIONAL ENERGY AGENCY, 2015).Na tecnologia de m-Si,pode-se encontrar módulos homologados no Brasil de até 17,9% de eficiência e na tecnologia de p-Si de até 16,7%.Por meio do PBE, os produtos submetidos aos testes padronizados pelo INMETRO e aprovados têm a autorização de ostentar a Etiqueta Nacional de Conservação de Energia (ENCE), que tem o objetivo de informar a população a eficiência energética de equipamentos comercializados no mercado nacional, identificando o equipamento avaliado com uma letra. Em se tratando de módulos fotovoltaicos, na Figura 15 pode-se observar que a letra “A” corresponde a melhor classe de eficiência e esta deverá ser superior a 13,5% para silício cristalino e que a letra “E”é a pior classe com eficiência inferior a 11%. (INSTITUTO NACIONAL DE METROLOGIA QUALIDADE E TECNOLOGIA, 2016a).
Figura 15 – Classes de eficiência de módulos fotovoltaicos
Fonte: (INSTITUTO NACIONAL DE METROLOGIA QUALIDADE E TECNOLOGIA, 2016a).
A NBR 10.899 define o módulo fotovoltaico como sendo a “unidade básica formada por um conjunto de células solares, interligadas eletricamente e encapsuladas, com o objetivo de gerar energia elétrica” (ASSOCIAÇÃO
BRASILEIRA DE NORMAS TÉCNICAS, 2013a). O conjunto de células é encapsulado, de modo a oferecer proteção contra as intempéries climáticas ao mesmo tempo possibilitando um caminho ótico para a luz. Confere durabilidade para a vida útil do módulo oferecendo proteção física contra ações como umidade, radiação ultravioleta e esforços mecânicos de baixa intensidade (SANTOS JÚNIOR, 2008). A Figura 16 representa os principais componentes que constituem um módulo fotovoltaico:
Figura 16 – Componentes de um módulo fotovoltaico Fonte: (URBANETZ JÚNIOR, 2015).
Moldura de alumínio: quadro em alumínio anodizado que confere rigidez mecânica ao módulo sem acréscimo demasiado de massa. Recentemente têm-se usado materiais como poliéster termoplástico combinando resistência e firmeza, menor massa e a eliminação de eventuais problemas de corrosão galvânica no módulo (SANTOS JÚNIOR, 2008);
Vidro temperado: usado devido a resistência mecânica, com baixo teor de ferro, pois o óxido de ferro é responsável pela aparência esverdeada do vidro, ou seja, um baixo teor de ferro permite uma maior transparência do vidro refletindo menos luz, aumentando portanto a eficiência ótica do conjunto e a consequente conversão de luz em energia elétrica. Além disso a utilização de filmes anti-reflexo
ou elementos absorventes torna o vidro absorvedor de radiação ultravioleta, diminuindo sua incidência sobre o material encapsulante aumentando sua vida útil (SANTOS JÚNIOR, 2008);
Lâmina encapsulante: em acetato de vinil-etileno (EVA),promove suporte estrutural às células solares, mantém o acoplamento ótico entre as células e o vidro devido a alta transmitância (transparência), protege as células de agentes degradantes (p.ex. radiação ultravioleta, água e temperatura)e mantém o isolamento elétrico (constante dielétrica elevada) durante a vida útil do módulo (SANTOS JÚNIOR, 2008);
Células ligadas em série: a associação de células solares em série conferiráas características de tensão, corrente e potência do módulo fotovoltaico;
Lâmina traseira: em polifluoreto de vinil (PVF), confere resistência mecânica, durabilidade, boa refletância a radiação solar, imune a umidade e a ação de solventes e produtos químicos, além de conferir bom isolamento elétrico (SANTOS JÚNIOR, 2008);
Caixa de junção: construída em material polimérico para proporcionar resistência ao meio externo é composta por um circuito elétrico com diodo, para proteção contra correntes reversas e terminais para solda das fitas condutoras das células do módulo. Além disso permite a pré-instalação dos cabos com terminação MC3 ou MC4 do módulo que permitirá a interconexão entre módulos fotovoltaicos para a formação de um painel fotovoltaico (SANTOS JÚNIOR, 2008);
O desempenho de módulos fotovoltaicos encapsulados com diferentes combinações e materiais modificam consideravelmente suas propriedades elétricas com a ação da degradação.Testes de envelhecimento em câmaras climáticas, câmaras salinas e exposição à radiação ultravioleta associados ao comportamento das medidas elétricas fornecem uma previsão de desempenho e durabilidade de um módulo fotovoltaico exposto a intempéries climáticas (SANTOS JÚNIOR, 2008).
Em função da disponibilidade de módulos homologados no Brasil pelo INMETRO, serão solicitados aos prestadores de serviços fotovoltaicos, no Capítulo 3, cotações de preços com módulos de tecnologia de conversão p-Si, ou seja, silício policristalino.