Tecnologia de células e módulos
- Estrutura da célula fotovoltaica
A estrutura típica da célula fotovoltaica, junto ao seu principio de funcionamento, é apresentada na Figura 17. O material de base é o silício, e o campo elétrico é obtido introduzindo-se impurezas de maneira controlada (dopagem) com materiais que apresentam excesso ou falta de elétrons em relação ao silício.
Assim, se em um dos lados da célula introduzimos
átomos doadores, isso é, com excesso de elétrons, como o fósforo, obteríamos a camada N da célula, ou seja, uma área com densidade de elétrons maior. Se em outro lado introduzimos átomos receptores, isso é, com falta de elétrons, como o boro, obteríamos uma área com densidade de lacunas maior do que o resto do dispositivo, camada P.
Tecnologia de células e módulos
34
Tecnologia de células e módulos
A diferença de concentrações entre elétrons e lacunas cria um campo elétrico, e o conjunto assim formado se denomina junção PN. A maioria das células solares são formadas a partir de uma junção PN, a qual se adicionam contatos metálicos para poder extrair a corrente até o exterior. Os demais elementos da célula fotovoltaica são:
Capa antirreflexo (AR) - Utiliza-se com o objetivo de reduzir as perdas por reflexão superficial, com uma refletância mínima a determinado comprimento de onda.
Rede de metalização (Contato Frontal) - Prepara-se de maneira
a permitir a coleta adequada de elétrons, introduzindo uma
resistência mínima e considerando que deve permitir a maior passagem possível de luz ao interior do dispositivo.
Tecnologia de células e módulos
Camadas ativas do semicondutor, materiais P e N. Observa-
se que a espessura do emissor (N) é muito menor do que a da base (P). A espessura das células fotovoltaicas foi diminuindo com o tempo, mas podem ser considerados valores típicos de espessura de células entre 250 e 350 μm.
O contato metálico posterior, que normalmente se realiza em
toda a superfície da célula.
Tecnologia de células e módulos
- Princípio de funcionamento
Quando a luz solar incide sobre a superfície da célula, se esta encontra-se conectada a uma carga, será produzida uma
diferença de potencial nesta carga e, portanto, uma circulação de corrente do terminal positivo ao terminal negativo da célula.
Nem todos os fótons da radiação solar são capazes de gerar pares elétron-lacuna, mas o fazem aqueles que têm uma
energia igual ou superior ao gap Eg de energia do material
(largura da banda proibida). Este valor é típico e característico de cada material semicondutor.
Tecnologia de células e módulos
38
Tecnologia de células e módulos
39
Figura 19 – Resposta espectral normalizada para sete módulos fotovoltaicos de diferentes tecnologias e o espectro padrão.
Tecnologia de células e módulos
40
Tecnologia de células e módulos
Resumindo, os fenômenos que ocorrem são:
Os fótons com energia igual ou superior a Eg podem ser
absorvidos e produzir pares de elétron-lacuna que, por sua vez, podem atuar como portadores de carga;
O campo elétrico separa os portadores antes que recombinem-se novamente, causando a circulação de corrente que fornecerá energia à carga;
São produzidos fenômenos de injeção e recombinação de pares de elétron-lacuna, causando assim perdas de recombinação na célula fotovoltaica.
Tecnologia de células e módulos
Considerando isto, a corrente gerada pela célula fotovoltaica seria a diferença entre a corrente fotogerada IL, devido à geração de portadores produzida pela iluminação, e o que se chama corrente de díodo ou escura ID, devida à recombinação de portadores produzida pela tensão externa.
Desenvolvendo o termo da corrente escura segundo a
teoria de Shockley, a equação torna-se:
Tecnologia de células e módulos
na qual I0 é a corrente inversa de saturação do díodo, Vt é a
tensão térmica Vt=kT/e sendo k a constante de Boltzman, T a
temperatura em Kelvin, e a carga do elétron e m o fator de
idealidade do díodo.
Segundo a teoria de Shockley, que parte do pressuposto de que a recombinação é produzida principalmente pela difusão de portadores minoritários, m deveria ter um valor igual a 1. Logo se observou que células solares tinham um valor m>1 que não concordava com a teoria da difusão. O uso de um parâmetro m, ajustável a cada caso particular, busca integrar, em um modelo simples, os desvios com relação ao caso ideal.
Tecnologia de células e módulos
Esta equação seria a que corresponderia ao dispositivo ideal, aplicável tanto a células como aos módulos. No entanto, existem alguns efeitos, denominados extrínsecos, como as
quedas de tensão associadas ao movimento de portadores, do lugar em que é gerada até os contatos (emissor, base, malha metálica, superfície de contato, etc.), materializados através de uma resistência série externa Rs, e das correntes de fuga que podem afetar a característica, materializados através de uma
resistência paralela Rsh.
O circuito equivalente de uma célula fotovoltaica, modelo de um diodo, é apresentado na Figura 21.
Tecnologia de células e módulos
Tecnologia de células e módulos
46
Bibliografia
1. Alonso, M.C., García, F.S. e Silva, J.P., “Energia Solar Fotovoltaica”,
Programa de Capacitação em Energias Renováveis, ONUDI, 2013.
2. Haag, Rafael & Krenzinger, Arno. (2010). TYPICAL SOLAR IRRADIANCE IN
THE AMAZONIAN REGION AND HIS IMPACT IN PHOTOVOLTAIC DEVICES OF DIFFERENT TECHNOLOGIES. 3. https://solargis.info/ 4. https://club.kdnet.net/dispbbs.asp?id=12827272&boardid=1 5. https://www.portalsolar.com.br/celula-fotovoltaica.html 6. https://wgsol.com.br/o-efeito-fotovoltaico-o-sol-fabricando- eletricidade/efeito-fotovoltaico/ 7. http://solar.fc.ul.pt/gazeta2006.pdf 8. http://www.absolar.org.br/infografico-absolar-.html 48