CÉLULAS FOTOVOLTAICAS: DESENVOLVIMENTO E AS TRÊS
GERAÇÕES
Douglas Guedes Batista Torres 1 (Acadêmico - UNIVEL); guerrathiago@gmail.com Bruno Hermes de Luca 2 (Acadêmico - UNIVEL)
João André Malacarne3 (Acadêmico - UNIVEL) Joel Souza 4 (Acadêmico - UNIVEL) Deivid Casarolli5(Acadêmico - UNIVEL) Eduardo Dalla Costa Silva 6(Acadêmico - UNIVEL)
Thiago Guerra 7 (Docente - UNIVEL)
Resumo: Com a crescente demanda por fontes de energias sustentáveis, a tecnologia de
painéis fotovoltaicos para a produção de energia tem se tornado uma das protagonistas no que tange a produção energética sustentável. Com mais de cem anos desde a sua descoberta, essa tecnologia vem se desenvolvendo tal qual pode ser dividida em três gerações de células fotovoltaicas. Por meio de revisão bibliográfica, este trabalho relata basicamente algumas das principais células que estão no mercado e em desenvolvimento, bem como seu funcionamento e eficiência.
Palavras-chave: energia sustentável, painéis fotovoltaicos, produção energética
sustentável.
PHOTOVOLTAIC CELLS: DEVELOPMENT AND THE THREE
GENERATIONS
Abstract: With de growing demand for sustainable energy sources, the technology of
photovoltaic panels for energy production has become a leading player in sustainable energy production. With more than a hundred years since its discovery, this technology has been developing as it can be divided into three generation of photovoltaic cells. Through a bibliographical review, this work basically reports some of the main cells that are in the market and in development, as well as its operation and efficiency.
Key words: sustainable energy, photovoltaic panels, sustainable energy production. 1. INTRODUÇÃO
Ao longo do tempo, a exploração em larga escala de reservas de combustíveis fósseis como fonte de energia, além dos impactos ambientais gerados, causa preocupação para o futuro. “A civilização humana e o ecossistema terrestre estão entrando em choque, e a crise climática é a manifestação mais proeminente destrutiva e ameaçadora desse embate” (GORE, 2010).
Partindo da necessidade de reinventar, investir em novas tecnologias renováveis e com menor degradação ambiental, as energias solar e eólica têm um viés muito favorável de
desenvolvimento. Diante disso, os painéis solares fotovoltaicos são uma das melhores fontes de obtenção de energia e, ao longo do tempo houve um aumento gradativo de investimento e pesquisa nessa área (NASCIMENTO; ALVES, 2016)
Dada a grande importância desta tecnologia, o desafio está contido no desenvolvimento de painéis solares com a maior eficiência possível, com materiais abundantes e não tóxicos, bem como um custo viável que incentive a população a buscar essas alternativas energéticas.
2 DESENVOLVIMENTO
“O efeito fotovoltaico foi observado primeiramente por Alexandre Edmond Becquerel por volta de 1839 quando realizava experimentos com placas metálicas de platina ou prata e percebeu que essas placas quando mergulhadas em um eletrólito produziam uma diferença de potencial quando expostas a luz” (FATET, 2005).
Após a descoberta de E. Becquerel, diversos estudos nessa área foram desenvolvidos, até que em 1883 começaram a aparecer às primeiras células solares aonde eram principalmente compostas de selênio. Já nos anos de 1950 com o avanço na área dos semicondutores, aparecem as primeiras células de silício tendo uma eficiência próxima a 6% e começam a ser comercializadas (OLIVEIRA SOBRINHO, 2016).
2.1 PRIMEIRA GERAÇÃO
A primeira geração de células solares tem o silício como seu material principal, sendo subdividido em 2 processos de fabricação, o silício monocristalino e também o silício policristalino, tecnologia está que ocupa a maior parte do mercado atualmente, “por ser considerada uma tecnologia consolida e confiável, e por possuir a melhor eficiência comercialmente disponível” (CEPEL, 2014).
Silício monocristalino: nas células de silício monocristalino a estrutura é uniforme por se tratar de um único cristal, o que está diretamente ligado com a forma com que os elétrons são conduzidos dentro do material. Logo, essas células são mais eficientes por não terem barreiras para cruzar durante o transporte dos elétrons. Porém para que essas células sejam eficientes é necessário que o material passe por um processo de dopagem com o objetivo de criar camadas dos tipos p e n. “o processo de dopagem de um semicondutor consiste na introdução de impurezas no material com o objetivo de modificar suas propriedades elétricas” (PEREIRA, 2016).
“Se o silício é dopado com um elemento como o fósforo (um elétron a mais de valência), o material resultante é chamado de semicondutor tipo n. Em oposição, se o silício é dopado com um elemento como o boro (um elétron de valência a menos) tem-se um semicondutor tipo p” (CEMIG, 2012).
Somente a partir das camadas p e n, e seus respectivos 3 e 5 elétrons na camada de valência, se torna possível uma diferença de potencial, resultando em um fluxo de elétrons, logo, corrente elétrica. “Essas células se destacam por ter uma eficiência na ordem de 15%” (CRESEB, 2008). Porém, apesar da produção em larga escala e uma eficiência considerável, existem barreiras a serem quebradas, como a diminuição de custos, quantidade de material necessário e a quantidade de energia envolvida no processo de fabricação.
Silício policristalino: O silício policristalino difere-se por ter um processo de fabricação mais econômico e menos rigoroso, já que não depende de tanta complexidade na produção do cristal. Obtido a partir da fusão de silício em moldes, o material tem um lento processo de solidificação. “Nesse processo os átomos não se organizam em um único cristal. Forma-se uma estrutura de múltiplos cristais com superfícies de separação entre os cristais” (NASCIMENTO, 2004).
Diante das barreiras criadas pela estrutura policristalina, temos um fluxo de elétrons menos eficiente, justificando então uma menor eficiência de um painel policristalino com relação a um monocristalino. Uma vantagem que pode ser destacada é a quantidade de energia utilizada no processo de fabricação, significativamente menor (CEPEL; CRESESB, 2014)
2.2 SEGUNDA GERAÇÃO
O mercado das células solares de segunda geração é dominado por três materiais de filmes finos, telureto de cadmio, silício amorfo e disseleneto de cobre, índio e gálio, dentre as vantagens das células dessa geração podemos citar a menor energia gasta na produção também como a menor utilização em materiais por necessitarem de uma fina camada de material, nota-se grande avanço na inclusão dessas células em projetos arquitetônicos visto que apresentam uma melhor aparência (JOÃO, 2016).
A segunda geração, marcada pelos filmes finos, surgiu no início da década de 90 com o objetivo de aperfeiçoar a redução dos custos de produção. O processo de deposição por vaporização ou por eletrodeposição evita os desperdícios que ocorrem na serragem dos wafers cristalinos (PASSOS, 2016).
2.3 TERCEIRA GERAÇÃO
As células solares de terceira geração têm como objetivo alcançar altos níveis de eficiência juntamente com um menor custo de produção, utilizando vantagens da primeira e segunda geração. Pode-se incluir nessa definição tecnologias orgânicas, pontos quânticos, células tandem/multijunção, células de portadores quentes, células solares sensibilizadas por corantes e tecnologias de upconversion (SILVA, 2001).
Limite de Queisser: sabe-se que, de acordo com o limite de Shockley-Queisser, a eficiência termodinâmica de uma célula solar de única junção é de pouco mais de 33%. Assumindo que, a uma temperatura ambiente de 300K, um espectro AM1,5 esteja incidindo em uma célula solar (RÜTHE, 2016).
As células de primeira e segunda geração, supracitadas, não são capazes de ultrapassar o limite em questão, devido à utilização de uma única junção p e n. E na tentativa de superar essa barreira enfrentada pelas gerações anteriores de painéis solares, novos conceitos vêm sendo discutidos nos últimos anos, e estes conceitos são considerados a terceira geração dos painéis solares.
Por serem constituídas de filmes finos sobrepostos as células de multijunção são considerados como parte das células de segunda geração, mas apesar disso deve se ressaltar a capacidade de atingir altos níveis de eficiência, quando separadas em camadas de semicondutores com gaps de energias diferentes (BROWN; WU, 2009)
Estas células podem ser configuradas de duas formas distintas: pode-se empilhar a célula de forma mecânica, de forma que cada camada da pilha seja tratada como um dispositivo separado com um terminal para cada uma; a outra forma configura-se como uma célula em série, onde cada semicondutor na pilha está conectado em série, assim sendo, a célula geral possuirá apenas dois terminais, uma na parte traseira e outro na parte frontal. Em condições perfeitas, estas duas configurações operariam com a mesma eficiência, mas quando considerado um espectro solar real e variável, o design empilhado mecanicamente possui maior flexibilidade por conta de sua capacidade de aperfeiçoar a curva I-V das células e depois conecta-las à um circuito externo (CONIBEER, 2007).
3. CONCLUSÃO
A evolução tecnológica de fontes alternativas de energia como a energia solar, se faz necessário ao levarmos em consideração a necessidade de inserirmos cada vez mais no mercado fontes de energia que preservem ao máximo o equilíbrio do meio ambiente, bem como podendo ser um fator de inserção de energia em áreas remotas.
Ciente da sua importância é fundamental o estimulo e investimento a pesquisa nessa área, principalmente na evolução e desenvolvimento das células fotovoltaicas. A partir disso, algumas barreiras poderão ser rompidas, como obtenção de maior eficiência, diminuição no custo de produção, utilização de matérias primas abundantes e não toxicas.
O Transpor as barreiras acima é um dos desafios para os próximos anos, além de
investimentos e dar suporte para pesquisas, também é função do estado a conscientização da importância de utilizar energias renováveis, reduzir impostos para a aplicação e inserção das mesmas em áreas de pobreza extrema. Segundo dados da ANEEL (Agencia Nacional de Energia Elétrica), cerca de um milhão de residências brasileiras não possui energia elétrica. Ao analisarmos um país em desenvolvimento, tanto econômico como social, é eminente a necessidade de explorar essa fonte de energia sustentável.
REFERÊNCIAS
BROWN, G. F.; WU, J. Third generation photovoltaics. Laser & Photonics Reviews, New Jersey, v. 3, n. 4, p. 394-405, 2009.
CEPEL & CRESESB, Manual de engenharia para sistemas fotovoltaicos, p.50, 2014. CEMIG, Alternativas energéticas: Uma visão da CEMIG, p.110-111, 2012.
CONIBEER, G. Third-generation photovoltaics. Materials today, Amsterdam, v. 10, n. 11, p. 42-50, 2007.
FATET, J. Les recherches d’Edmond Becquerel sur la nature de la lumière entre 1839 et 1843, histoire d’une interaction réussie entre science et photographie. Histoire, Philosophie et Sociologie des sciences. Université Claude Bernard Lyon 1, 2005.
GORE, A. Nossa escolha: um plano para solucionar a crise climática. Our choice: a plan to solve the climate crisis. Barueri, SP: Manole, 2010.
PEREIRA, J, M, M, Desenvolvimento de um processo de dopagem com ácido fosfórico para a obtenção de fitas de silício tipo n, p.16, 2016.
JOÃO, PEDRO EDUARDO THOMAZ VIEIRALVES. Análise técnico-econômica de uma minigeração fotovoltaica em um galpão logístico em contagem MG, Universidade Federal do Rio de Janeiro, Rio de Janeiro, 2016. Disponível em < http://monografias.poli.ufrj.br/monografias/monopoli10016391.pdf> , Acesso em Fevereiro 2019.
NASCIMENTO, C, A, Princípio de funcionamento da célula fotovoltaica, p.16, 2004.
NASCIMENTO, R. S; ALVEZ; G. M. Fontes alternativas e renováveis de energia alternativa no Brasil In XX Encontro Latino Americano de Iniciação Científica, XVI Encontro Latino Americano de Pós-Graduação e VI Encontro de Iniciação à Docência, 2016, São José dos Campos, Anais, 2016.
OLIVEIRA SOBRINHO, LOUISE CRISTINA. Desenvolvimento e pesquisa na terceira geração de células, Universidade Federal do Rio de Janeiro, Rio de Janeiro, 2016. Disponível em < http://monografias.poli.ufrj.br/monografias/monopoli10018694.pdf> , Acesso em Fevereiro 2019.
PASSOS, F. L. L. As tecnologias e eficiências das células fotovoltaicas 2016 disponível em : https://microgeracaofv.wordpress.com/2016/09/10/as-tecnologias-e-eficiencias-das-celulas-fotovoltaicas acesso em: 22 fev. 2019.
SILVA, R. H.; ROSOLEM, C. A. Crescimento radicular de espécies utilizadas como cobertura decorrente da compactação do solo. Revista Brasileira de Ciência do Solo, v.25, p.253-260, 2001.
RÜHLE, S. Tabulated values of the Shockley–Queisser limit for single junction solar cells. Solar Energy, 130, 139–147, 2016.
