Tipos de Células fotovoltaicas

A conversão da energia elétrica em energia solar é feita com o auxílio das células fotovoltaicas que são dispositivos semicondutores, que convertem a energia solar diretamente em energia elétrica.

Atualmente, existem vários semicondutores baseados em diferentes elementos. As mais convencionais são as células de silício cristalino que engloba as células monocristalina e policristalina. Contudo, a inovação proporcionou o surgimento das células de película fina que incluem silício amorfo, células de disseleneto de cobre e índio, célula de telureto de cádmio e, células fotovoltaicas concentradas.

Para Surek (2005), essas tecnologias podem ser divididas em duas principais áreas: placas planas, que integra o silício cristalino e filmes finos, e concentradores, que é um sistema de lentes ou refletores.

Já para Bagnall e Boreland (2008), a tecnologias fotovoltaicas são divididas em três gerações. A primeira geração consiste nas células de silício, incluindo o monocristalino e o policristalino. Já a segunda geração, que objetiva reduzir a utilização de material, porém,

sem comprometer a eficiência, é composta por silício amorfo (a-Si), telureto de cádmio (CdTe), disseleneto de cobre índio gálio (CIGS) depositadas em substratos de baixo custo como por exemplo, o vidro. A terceira geração é baseada nas potenciais tecnologias que vêm sendo estudadas como as células multijunção ou nanotecnologia. As estruturas de filmes finos que compõem a segunda geração podem ser visualizadas na Figura 3.5.

Figura93.5 - Estrutura dos filmes finos. Fonte: Adaptado de Bagnall e Boreland (2008).

As células de silício são feitas de estrutura cristalina para produzir células solares que são combinadas, resultando em módulos fotovoltaicos. O desenvolvimento deste material foi fundamental para o início de tecnologias solares, uma vez que representou a unidade de conversão de energia de um sistema fotovoltaico, mas com implicações práticas (EL CHAAR

et al., 2011).

Por ser o primeiro tipo de célula a ser estudada, a de silício cristalino é o semicondutor mais tradicional, estando consolidada no mercado devido a sua robustez e confiabilidade. Atualmente, da maioria dos módulos fotovoltaicos fabricados, cerca de 94%, é baseada nessa tecnologia (SUREK, 2005).

O silício cristalino tem átomos dispostos em uma matriz tridimensional, tornando- se um semicondutor eficiente (AB KADIR et al., 2010), porém, quando sujeita a altas temperaturas, esse material não é considerado tão eficiente, já que a eficiência está relacionada diretamente com a temperatura.

De acordo com Santos (2007) a temperatura é um parâmetro relevante, uma vez que as células, estando sob o efeito dos raios solares apresentam um aquecimento inevitável e, uma grande parte da energia solar absorvida é dissipada sob a forma de calor, o que faz com que a temperatura de funcionamento das células seja sempre superior à temperatura ambiente.

Para Surek (2005), a maioria dos fabricantes do módulo de silício cristalino, oferece uma garantia de 25 anos, esse dado é resultado de três décadas em pesquisa e

desenvolvimento, no qual o estudo tem como objetivo identificar falhas no mecanismo e saber como o sistema se comporta quando está fora dos laboratórios.

As células solares de silício cristalino são divididas em dois grupos: monocristalino e policristalino. O silício monocristalino é um cristalino em que a estrutura de cristal de toda a amostra de silício é contínua nas suas extremidades. É o mais comumente utilizado, constituindo cerca de 80% do mercado (EL CHAAR et al., 2011).

Considerada a mais tradicional tecnologia, apresenta uma maior escala de produção a nível comercial quando se comparada às outras tecnologias (PARIDA et al., 2011).Já o Silício policristalino (p-Si) se apresenta menos eficaz do que o silício monocristalino, porém, se torna cada vez mais atraente devido ao menor custo de fabricação (EL CHAAR et al., 2011).

Em um estudo realizado por Green (2000) são apresentadas diferentes tecnologias que estão sendo utilizadas no contexto atual. É visível que a silício cristalino é o mais comumente usado, no entanto, o autor argumenta que existe uma transição para uma outra tecnologia, a de filmes finos, células solares de película fina, que são basicamente, camadas finas de materiais semicondutores aplicados a um material de suporte sólido (PARIDA et al., 2011).

A tecnologia filme fino tem menor custo de produção quando se comparado ao silício cristalino (AB KADIR et al., 2010; GANGOPADHYAY et al., 2013). Isso se justifica pelo fato de que essa tecnologia utiliza menos materiais e tem um menor número de etapas em seu processo de fabricação (SUREK, 2005). A diminuição no uso de materiais tem como consequência a redução dos custos, o que torna uma das principais vantagens dessa tecnologia (GREEN, 2000).

Contudo, quando comparada com a do silício, sua eficiência se apresenta menor, mas, acredita-se que a película fina será dominante no futuro, isso se deve a redução significativa dos custos do módulo e a melhoria da eficiência que resultará na minimização dos custos globais desta tecnologia (MASTERS, 2004).

Três tipos de células de filme fino surgiram como comercialmente importantes: a célula de silício amorfo, telureto de cádmio e disseleneto de cobre índio (SUREK, 2005), que são criadas por disposição de camadas finas de determinados materiais em substratos de vidro ou de aço inoxidável (EL CHAAR et al., 2011).

Dentre as células de filme fino, a tecnologia mais popular é o silício amorfo, que em 2005, teve uma significativa participação no mercado de película fina e vem ganhando espaço nas pesquisas por ser o mais desenvolvido dentre as três tecnologias citadas.

Já o telureto de cádmio, tem a parte restante do mercado e está aumentando muito rapidamente, enquanto que o disseleneto de cobre índio, mesmo com grande potencial, detém uma quota insignificante do mercado de filmes finos por ser o menos desenvolvido dos três materiais (AB KADIR, 2010).

A forma dos painéis solares e a variação da intensidade do sol durante o dia pode reduzir a eficiência dos painéis fotovoltaicos. Mediante isso, alguns autores citam uma alternativa para atender a essa demanda, o “Concentrating solar photovoltaic systems”, que é um sistema que utiliza espelhos ou lentes para concentrar uma grande quantidade de luz solar em uma pequena área para gerar energia elétrica (DEVABHAKTUNI et al., 2013). Os três principais tipos são: calha parabólica Solar ou Solar parabolic trough, torre de energia solar

ou Power tower systems e sistemas solares prato-motor ou Solar dish–engine systems. Além dessas tecnologias, estudos vêm apresentando inovações com relação a esse mercado. Por estas considerações a Tabela 3.1 apresenta um resumo das tecnologias encontradas durante a pesquisa.

Tabela 3.1 - Tipos de células fotovoltaicas.

Tecnologia Autoria

Silício monocristalino

El Chaar et al. (2011); Parida et al. (2011); Liu (2014); Ab Kadir et al. (2010); Mundo- Hernández et al. (2014); Paudel e Sarper (2013);Surek (2005);Green (2000); Jackson e Oliver (2000); Razykov et al. (2011); Bagnall e Boreland (2008); Goetzberger e Hebling (2000)

Silício policristalino

El Chaar et al. (2011); Parida et al. (2011); Liu (2014); Ab Kadir et al. (2010); Mundo- Hernández et al. (2014); Paudel e Sarper (2013); Surek (2005); Green (2000); Jackson e

Oliver (2000); Razykov et al. (2011); Bagnall e Boreland (2008); Goetzberger e Hebling (2000)

Silício amorfo

El Chaar et al. (2011); Parida et al. (2011); Ab Kadir et al. (2010); Mundo-Hernández et al. (2014); Surek (2005); Jackson e Oliver (2000); Razykov et al. (2011); Bagnall e Boreland (2008); Goetzberger e Hebling (2000);

Telureto de Cádmio El Chaar et al. (2011); Parida et al. (2011); Ab Kadir et al. (2010); Mundo-Hernández et al. (2014);Kim et al. (2014); Surek (2005); Razykov et al. (2011); Bagnall e Boreland (2008); Goetzberger e Hebling (2000)

Disseleneto de

Cobre, Índio e Gálio El Chaar et al. (2011); Mundo-Hernández et al. (2014); Surek (2005); Razykov et al. (2011); Bagnall e Boreland (2008); Goetzberger e Hebling (2000) Nano células El Chaar et al. (2011); Surek (2005); ; Parida et al., 2011; Razykov et al., 2011; Bagnall, _{e Boreland, (2008).} Células orgânicas El Chaar et al. (2011); Parida et al. (2011); Surek (2005); Razykov et al. (2011); _{Goetzberger e Hebling (2000)}

Células sensibilizadas por

corante

Parida et al. (2011); Surek (2005); Green (2000); Razykov et al. (2011); Bagnall, e Boreland, (2008); Goetzberger e Hebling (2000)

Fonte: Elaboração própria.

Desse modo, diversas são as possibilidades de materiais que podem ser utilizados na construção das células fotovoltaicas, entretanto continuam as buscas por novos materiais que tenham os seguintes pré-requisitos (GOEZTBERGER; HEBLING, 2000):

 Bandgap entre 1,1 e 1,7 eV;

 Seja composta de materiais facilmente disponíveis e não tóxico;

 Fácil técnica de deposição reprodutível, adequado para grande área de produção;  Boa eficiência conversão fotovoltaica;

 Estabilidade em longo prazo.

Ademais, estudos vêm sendo realizados com o objetivo de melhoria dos materiais consolidados no mercado, na busca constante pelo aumento da eficiência a um baixo custo de produção.

3.3.3 Procedimentos para instalação de sistemas fotovoltaicos visando à geração