Células fotovoltaicas

Células fotovoltaicas: conheça sua evolução, seus diferentes tipos e as últimas inovações

Energia fotovoltaica Ciência

A energia fotovoltaica, renovável, limpa e ilimitada é um pilar fundamental no processo de descarbonização do planeta e na luta contra as mudanças climáticas. De fato, em muitos países será fundamental para alcançar os objetivos climáticos de 2030, sobretudo considerando a paulatina redução dos custos dos painéis solares. Sua proliferação também favorecerá a criação de empregos verdes e incentivará o desenvolvimento sustentável da economia. E tudo graças a um elemento imprescindível: a célula fotovoltaica.

O que é uma célula fotovoltaica

Uma célula fotovoltaica é um dispositivo eletrônico que converte a energia proveniente da radiação solar que chega à Terra na forma de luz (fótons) em energia elétrica (elétrons) graças ao efeito fotoelétrico. Entre os principais marcos da história do desenvolvimento dessas células cabe destacar que:

• Em 1839, o físico francês Alexandre-Edmond Becquerel descobre o efeito fotoelétrico.
• Em 1883, o inventor norte-americano Charles Fritts constrói a primeira célula solar com uma eficiência de 1 %.
• Em 1905, um artigo explica pela primeira vez o efeito fotoelétrico. Seu autor foi um jovem alemão de 26 anos chamado Albert Einstein.
• Em 1954, os laboratórios norte-americanos Bell descobrem acidentalmente que os semicondutores de silício dopado com certas impurezas são hipersensíveis à luz e a eficiência sobe para 6 %.
• Em 1957, a União Soviética lança seu primeiro satélite espacial, o qual incluía células solares. No início de 1958 os Estados Unidos seguiram-lhe o exemplo. A corrida espacial durante a Guerra Fria impulsionou indiscutivelmente o desenvolvimento dessas células, aumentando sua eficiência para mais de 15 %.
• Devido à redução de preços, em meados dos anos noventa os painéis solares começaram a se espalhar pelos telhados dos países desenvolvidos e, com a chegada do século XXI passaram a ser produzidos em massa.

Como funicona uma célula fotovoltaica

As células fotovoltaicas são compostas por dois semicondutores com cargas opostas e separados por uma junção neutra: a camada negativa (semicondutor tipo N) é gerada modificando uma estrutura de silício cristalizada para conseguir um excesso de elétrons e a camada positiva (semicondutor tipo P) não tem um elétron para ser estável, portanto, se comporta como uma carga positiva dentro da rede cristalizada. Dessa forma, na área da junção (união P/N) ocorre a neutralização de cargas que ao ser exposta à luz solar pela área N, libera elétrons aumentando a diferença de potencial entre as áreas N e P. Essa diferença em um circuito fechado dá origem à corrente elétrica, parte da qual é a eletricidade utilizada pelo usuário.

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Tipos de células fotovoltaicas

Atualmente, a maioria das células fotovoltaicas é de silício, uma vez que se trata de um material semicondutor abundante e barato. O silício é purificado e cristalizado para depois ser cortado em camadas finas e formar a célula. De acordo com o processo de fabricação do silício, as células classificam-se em:

Células de silício monocristalino

São formadas por um único cristal de silício com estrutura uniforme e garantem um desempenho superior em relação às demais células de silício (18-25 %), uma vez que o alinhamento perfeito de seus átomos favorece a condutividade. Seu inconveniente é o tempo de fabricação e seu custo, pois são superiores em relação aos restantes tipos.

Células de silício policristalino

São compostas por inúmeros cristais de silício e, embora seu processo de fabricação seja mais econômico que o do silício monocristalino, seu desempenho é inferior (16-20 %).

Células de silício amorfo

Com uma estrutura atômica irregular, este silício é depositado em películas finas sobre substratos flexíveis, tais como o vidro, metal e plástico, permitindo que esses painéis se adaptem a qualquer superfície e tornando possível uma melhor integração arquitetônica. Seu desempenho é muito inferior em relação ao do silício cristalino (6-8 %), porém é mais barato.

Além dessas células, nos últimos anos ocorreram inovações que estão levando essa tecnologia para um novo patamar. As células fotovoltaicas multijunção contêm várias junções P/N de diferentes materiais semicondutores, cada uma delas produz corrente elétrica como resposta a diferentes comprimentos de onda, chegando a atingir em laboratório uma eficiência de cerca de 45-50 % sob luz solar concentrada. Da mesma forma, as células solares tandem também permitem atingir um desempenho superior através do empilhamento monolítico de células com diferentes intervalos de banda (band gap), sobretudo graças a um material que promete dar o que falar no futuro: a perovskita.

Aplicações das células fotovoltaicas

Hoje em dia, as células fotovoltaicas são utilizadas para gerar energia sobretudo em:

 Moradias

Habitualmente são utilizadas para alimentar o sistema de iluminação e os demais aparelhos elétricos da casa (máquina de lavar roupa, lava-louça, geladeira, televisão, computador, etc.), para esquentar água, aquecedores ou pisos térmicos e para a climatização de piscinas, entre outros usos, graças às instalações fotovoltaicas de autoconsumo.

 Iluminação em locais remotos

Graças às suas baterias de armazenamento, são a solução ideal para fornecer eletricidade em locais isolados onde a rede não chega ou porque seu custo é muito alto: ajudas à navegação (por exemplo, faróis), postes SOS nas estradas, sinalização ferroviária, etc.

 Iluminação pública

Nos denominados postes de rua solares, a bateria, que é carregada durante o dia através do painel solar, alimenta a lâmpada LED durante a noite. Há outros elementos urbanos que funcionam com esse sistema: parquímetros, semáforos, estações de carga de veículos elétricos, pontos de ônibus, etc.

 Motorhomes e barcos

Os painéis solares são usados em motorhomes para oferecer autonomia e eletricidade gratuita àquelas pessoas que passam muito tempo nesse tipo de veículo. Também facilita a vida dos navegantes, já que costumam utilizá-los para alimentar de energia seus barcos, podendo assim passar mais tempo em alto-mar.

 Satélites e naves espaciais

Estando a milhares de quilômetros da tomada mais próxima da Terra, os satélites e as naves dependem da energia solar. Por exemplo, é assim que funciona a Estação Espacial Internacional (ISS), onde os astronautas podem viver e fazer pesquisas graças aos seus enormes painéis solares.