Fotovoltaica: Energia Solar e Células Solares na Teoria e na Prática
Aug 28, 2015

A palavra   Fotovoltaico   É uma combinação da palavra grega para Luz e do nome do físico Allesandro Volta. Identifica a conversão direta da luz solar em energia por meio de células solares. O processo de conversão baseia-se no efeito fotoelétrico descoberto por Alexander Bequerel em 1839. O efeito fotoelétrico descreve a liberação de portadores de carga positiva e negativa em um estado sólido quando a luz atinge sua superfície.

Como funciona uma célula solar?

As células solares são compostas por vários materiais semicondutores. Os semicondutores são materiais que se tornam eletricamente condutores quando alimentados com luz ou calor, mas que funcionam como isoladores a baixas temperaturas.

Mais de 95% de todas as células solares produzidas em todo o mundo são compostas pelo material semicondutor Silício (Si). Como o segundo elemento mais abundante na crosta terrestre, o silício tem a vantagem de estar disponível em quantidades suficientes e, adicionalmente, o processamento do material não sobrecarrega o ambiente. Para produzir uma célula solar, o semicondutor está contaminado ou "dopado". "Doping" é a introdução intencional de elementos químicos, com os quais se pode obter um excesso de portadores de carga positiva (camada de semicondutor p-condutora) ou de portadores de carga negativa (camada de semicondutor n-condutora) a partir do material semicondutor. Se duas camadas de semicondutores contaminadas diferentemente forem combinadas, então a chamada junção pn resulta no limite das camadas.

  • Modelo de uma célula solar cristalina

Nesta junção, um campo elétrico interior é construído que leva à separação dos portadores de carga que são liberados pela luz. Através de contatos metálicos, uma carga elétrica pode ser aproveitada. Se o circuito externo estiver fechado, significando que um consumidor está conectado, então a corrente direta flui.

As células de silício têm aproximadamente 10 cm por 10 cm de largura (recentemente também 15 cm por 15 cm). Um filme anti-reflexo transparente protege a célula e diminui a perda reflexiva na superfície da célula.

Características de uma célula solar

  • Tensão de corrente de uma célula si-solar

A tensão utilizável a partir de células solares depende do material semicondutor. Em silício ele equivale a aproximadamente 0,5 V. A tensão do terminal é apenas débilmente dependente da radiação da luz, enquanto a intensidade da corrente aumenta com maior luminosidade. Uma célula de silício de 100 cm2, por exemplo, atinge uma intensidade de corrente máxima de aproximadamente 2 A quando irradiada por 1000 W / m².

A saída (produto de eletricidade e tensão) de uma célula solar é dependente da temperatura. Temperaturas celulares mais elevadas levam a uma produção menor e, portanto, a uma menor eficiência. O nível de eficiência indica quanto da quantidade irradiada de luz é convertida em energia elétrica utilizável.

Diferentes tipos de células

Pode-se distinguir três tipos de células de acordo com o tipo de cristal: monocristalino, policristalino e amorfo. Para produzir uma célula de silício monocristalina, é necessário um material semicondutor absolutamente puro. Varas monocristalinas são extraídas de silício fundido e depois serradas em placas finas. Este processo de produção garante um nível relativamente elevado de eficiência.  
A produção de células policristalinas é mais rentável. Neste processo, o silício líquido é vertido em blocos que são subsequentemente serrados em placas. Durante a solidificação do material, são formadas estruturas cristalinas de tamanhos variados, em cujos bordos emergem defeitos. Como resultado deste defeito de cristal, a célula solar é menos eficiente.  
Se uma película de silício é depositada sobre vidro ou outro material de substrato, esta é uma chamada célula de camada amorfa ou fina. A espessura da camada é inferior a 1 μm (espessura de um cabelo humano: 50-100 μm), pelo que os custos de produção são mais baixos devido aos baixos custos de material. Contudo, a eficiência das células amorfas é muito mais baixa do que a dos outros dois tipos de células. Devido a isso, eles são usados principalmente em equipamentos de baixa potência (relógios, calculadoras de bolso) ou como elementos de fachada.

Material

Nível de eficiência em% Lab

Nível de eficiência em% Produção

Silicone Monocristalino

Aprox. 24

14 a 17

Silício policristalino

Aprox. 18

13 a 15

Silício Amorfo

Aprox. 13

5 a 7

Da célula ao módulo

Para tornar as voltagens e saídas adequadas disponíveis para diferentes aplicações, células solares solares são interligadas para formar unidades maiores. As células conectadas em série têm uma tensão mais alta, enquanto aquelas conectadas em paralelo produzem mais corrente elétrica. As células solares interconectadas são geralmente incorporadas em acetato de vinilo transparente etilado, equipado com um quadro de alumínio ou aço inoxidável e coberto com vidro transparente na parte da frente.

As potências típicas desses módulos solares estão entre 10 Wpeak e 100 Wpeak. Os dados característicos referem-se às condições de ensaio normalizadas de 1000 W / m² de radiação solar a uma temperatura de 25 ° Celsius. A garantia padrão do fabricante de dez ou mais anos é bastante longa e mostra os padrões de alta qualidade e expectativa de vida dos produtos de hoje.

Limites naturais da eficiência

  • Teórico níveis máximos de eficiência de várias células solares em condições padrão

Além de otimizar os processos de produção, também está sendo feito trabalho para aumentar o nível de eficiência, a fim de reduzir os custos das células solares. No entanto, diferentes mecanismos de perda estão estabelecendo limites para esses planos. Basicamente, os diferentes materiais semicondutores ou combinações são adequados apenas para gamas espectrais específicas. Portanto, uma porção específica da energia radiante não pode ser usada, porque os quanta de luz (fótons) não têm energia suficiente para "ativar" os portadores de carga. Por outro lado, uma certa quantidade de energia de fóton em excesso é transformada em calor em vez de em energia elétrica. Além disso, existem perdas ópticas, tais como a sombra da superfície da célula através do contacto com a superfície de vidro ou a reflexão de raios de entrada na superfície da célula. Outros mecanismos de perda são as perdas de resistência elétrica no semicondutor e no cabo de conexão. A influência disruptiva da contaminação de materiais, efeitos de superfície e defeitos de cristal, no entanto, também são significativos.  
Mecanismos de perda única (os fótons com muito pouca energia não são absorvidos, o excesso de energia de fótons é transformado em calor) não pode ser melhorado devido aos limites físicos inerentes impostos pelos próprios materiais. Isto conduz a um nível máximo teórico de eficiência, isto é, aproximadamente 28% para o silício cristalino.

Novos caminhos

Estruturação de superfície para reduzir a perda de reflexão : por exemplo, a construção da superfície celular em uma estrutura de pirâmide, de modo que a luz de entrada atinge a superfície várias vezes. Material novo: por exemplo, arseneto de gálio (GaAs), telureto de cádmio (CdTe) ou seleneto de cobre e índio (CuInSe²).

Células em tandem ou empilhadas: para poder utilizar um amplo espectro de radiação, diferentes materiais semicondutores, que são adequados para diferentes faixas espectrais, serão dispostos um em cima do outro.

Células concentradoras:   Uma maior intensidade de luz será focada nas células solares pelo uso de sistemas de espelhos e lentes. Este sistema segue o sol, usando sempre a radiação direta.

MIS Inversão Células da camada:   O campo elétrico interno não é produzido por uma junção pn, mas pela junção de uma camada fina de óxido a um semicondutor.

Células de Grätzel:   Células eletroquímicas líquidas com dióxido de titânio como eletrólitos e corante para melhorar a absorção de luz.

Texto e ilustrações utilizados com autorização da Fundação Alemã para a Energia Solar (Deutschen Gesellschaft für Sonnenenergie eV)

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