As células fotovoltaicas são classificadas em duas categorias (wafer e filmes finos). Cada tecnologia de fabricação apresenta características distintas e o melhoramento dos índices de eficiência é um dos principais desafios e fonte de pesquisa (SOUSA, 2011). Na Figura 7, pode-se observar o diagrama de classificação das células solares fotovoltaicas. A seguir faz-se uma apresentação simples e resumida sobre as células de cada geração.
2.4.1 Células de primeira geração
Tradicionalmente encontra-se o silício cristalino (c-Si) como material mais comumente utilizado em aplicações fotovoltaicas. Células solares fabricadas a partir de wafers (pastilhas ou lâminas) desse semicondutor dominam atualmente o mercado fotovoltaico (Figura 2). Seu processo de fabricação já é bem conhecido e dominado, já que é o mesmo utilizado na fabricação de dispositivos eletrônicos, com o diferencial na purificação, pois o silício grau eletrônico (Si-gE) possui uma pureza de 99,9999999% denominada 9N (nove noves) e o silício grau solar (Si-gS) possui uma pureza de 99,9999% (6N), de menor custo (CRESESB, 2014).
Quando comparadas com as células de silício multicristalino (pc-Si), as células de silício monocristalino (mc-Si) apresentam uma densidade menor de defeitos, exibindo assim uma maior eficiência comercial, cerca de 16% (FRAUNHOFER ISE, 2017; SAGA, 2010). Contudo, as células policristalinas são mais baratas por exigir um processo de fabricação menos rigoroso. O material é solidificado em forma de um bloco composto de pequenos cristais, em vez de um único cristal como no mc-Si. É possível perceber as regiões com orientações cristalográficas diferentes através das regiões de tonalidades desiguais na célula policristalina. Já as baseadas em arseneto de gálio (GaAs) apresentam uma eficiência mais alta (em torno de 30%). No entanto são extremamente caras, assim como as células III-V (grupos III e V da tabela periódica) de
Figura 7 – Tecnologias de células fotovoltaicas. Monocristalino (mc-Si) Policristalino (pc-Si) Baseado em Pastilha (1° Geração) Baseado em Filme Fino Silício Cristalino (c-SI) GaAs e III-V de Junção Única Convencional (2° Geração) Emergente (3° Geração)
Silício Amorfo (a-Si)
Telureto de Cádmio (CdTe)
Disseleneto de Cobre Gálio e( ) e CIGS Índio (CIS )
Multijunção
Célula Solar Sensibilizada por Corante (DSSC) Perovskite FV Orgânico FV de Ponto Quântico (QD) Tecnologias e Materiais FV Fonte: O autor.
junção única. Isso praticamente restringe sua utilização, como aplicações em satélites e módulos espaciais (CARVALHO, 2014).
2.4.2 Células de segunda geração
As células fabricadas a partir de técnicas de crescimento de filmes finos (thin-films) de materiais semicondutores não ficam restritas aos formatos das células de c-Si, por isso, podem ser usadas superfícies amplas e até flexíveis, o que amplia o espectro de aplicações em arquitetura ou em equipamentos portáteis, tais como celulares, calculadoras e relógios. Sua principal vantagem é o seu custo de fabricação, que não depende de técnicas sofisticadas de produção de materiais ultra-puros, além do baixo consumo de material semicondutor (CARVALHO, 2014). Contudo, as células baseadas nessa técnica apresentam uma eficiência menor que a das células de primeira geração, ficando em torno de 10%, além da sua baixa vida-útil. Como exemplo têm-se as células de silício amorfo (a-Si), telureto de cádmio (CdTe), e disseleneto de cobre (gálio) e índio (CIS e CIGS) (CRESESB, 2014; CARVALHO, 2014).
Células de silício amorfo são compostas de átomos de silício em um camada homogênea fina, em vez de uma estrutura de cristal. O silício amorfo absorve mais luz de forma eficaz do que o silício cristalino. A grande desvantagem das células de a-Si é a sua baixa eficiência, que
diminui nos primeiros 6 a 12 meses de funcionamento, devido à degradação provocada pela luz, até atingir um valor estável (SOUZA, 2014).
Células fotovoltaicas de CdTe são heterojunções formadas por sulfeto de cádmio (CdS) e telureto de cádmio (CdTe). Teoricamente, uma junção p-n formada por dois materiais semicondutores diferentes proporciona um melhor aproveitamento da radiação. Os filmes de CdTe são sensíveis à umidade e os módulos devem ser encapsulados, por exemplo, com vidro e filmes poliméricos ou com vidro duplo, além de serem selados nas bordas para evitar a degradação (CRESESB, 2014).
Assim como as células de CdTe as células CIS (baseados no disseleneto de cobre e índio, CulnSe2) e CIGS (baseadas no disseleneto de cobre, gálio e índio, Cu(InGa)Se2) também são
heterojunções. Os fabricantes anunciam que não há degradação considerável. Possuem uma camada com função de absorver os fótons e gerar os pares elétron-lacuna que vão para os contatos mais próximos (CARVALHO, 2014). A grande vantagem desse material é que, quando dopado com uma impureza do tipo p, ele apresenta uma alta capacidade de absorção de fótons, mesmo com uma espessura muito fina (CRESESB, 2014).
2.4.3 Células de terceira geração
As células de terceira geração compreendem tecnologias emergentes ainda não encontradas no mercado (KALOGIROU, 2014), mas que possuem potencial para ultrapassar o limite de Shockley-Queisser, um limite teórico superior para a eficiência de uma junção p-n submetida a condições ideais (SHOCKLEY; QUEISSER, 1961). De forma geral, as células de terceira geração tendem a ser altamente eficientes, possuir processamento de baixo custo sobre grandes áreas, apresentar possível semitransparência, possuir flexibilidade mecânica, baixo peso e utilizar materiais abundantes e de baixa toxicidade. Dentre os tipos de células emergentes citam-se, as baseadas em materiais orgânicos (YEH; YEH, 2013), as que utilizam pontos quânticos (NOZIK, 2002), multijunções (YAMAGUCHI, 2003; YAMAGUCHI et al., 2005), as sensibilizadas por corante (DSSC - Dye Sensitized Solar Cells) (O’Regan; Graetzel, 1991; CHIBA et al., 2006) e as baseadas em Perovskite, material com uma estrutura cristalina particular (KOJIMA et al., 2009; Malinkiewicz et al., 2014; LIN et al., 2015; PARK, 2015).
Essas tecnologias têm como objetivo principal reduzir as perdas de potência encontradas nas tecnologias tradicionais. Para isso elas podem:
• Evitar perdas por junções;
• Evitar perdas devido a recombinação;
• Aumentar a sensibilidade ao espectro eletromagnético e absorver mais energia luminosa; • Absorver fótons com energia inferior ao gap do material;
• Evitar a termalização de pares elétron-buraco gerados por fótons de energia superior ao gap.
Além das tecnologias de fabricação de células fotovoltaicas, deve-se levar em consideração a existência de alguns outros fatores que influenciam as características elétricas dos módulos fotovoltaicos, tais como coeficiente de absorção, resistência interna, resistências de interconexão, reflexão, massa de ar e principalmente a temperatura e a irradiância.