É devido à célula fotovoltaica, dispositivo elétrico essencial dos sistemas de energia solar, que é possível transformar a luz do sol em eletricidade. Essa conversão é baseada em um princípio físico bastante interessante: o efeito fotovoltaico.
A célula é feita de materiais semicondutores (elementos de condutividade elétrica intermediária) e, quando a luz a atinge, ela excita os elétrons nesse material. Esse movimento (efeito fotovoltaico) cria, então, uma corrente elétrica.
Como funciona uma célula fotovoltaica?
A célula é o elemento essencial para converter a radiação solar em eletricidade. Como já mencionado, são fabricadas com materiais semicondutores, sendo o silício o mais utilizado.
Para gerar o efeito fotovoltaico, ela reage por meio da incidência do sol, que é capaz de liberar elétrons, migrados para um circuito no módulo solar (conjunto de painéis solares).
Cada célula individual gera aos seus terminais uma tensão pequena, com uma corrente típica em curto-circuito de alguns miliamperes.
A geração de corrente elétrica funciona assim:
- a célula fotovoltaica é formada em camadas, em que as partes externas são feitas de materiais condutores e a interna de silício (semicondutor);
- o material semicondutor é misturado com outros elementos químicos, num processo chamado dopagem;
- assim, cria-se duas formas do mesmo material semicondutor, um carregado negativamente com átomos (Tipo-N) e outro carregado positivamente (Tipo-P). A carga positiva e negativa, em conjunto, é chamada de junção P/N;
- com essa polarização, os elétrons liberados pelos fótons da luz solar incidente viajam apenas pelo lado positivo. Tem-se, assim, o efeito fotovoltaico;
- o fluxo de elétrons segue por um fio, gerando a corrente elétrica. Ela retorna ao silício, fechando o ciclo.
Para alcançar a tensão necessária para a maioria das aplicações, as células são montadas em série, em painéis solares.
Os módulos fotovoltaicos podem ser usados individualmente ou serem montados em paralelo, a depender da necessidade do projeto.
Efeito fotovoltaico x efeito fotoelétrico
Ambos são formas de conversão de energia solar em eletricidade. Porém, se diferenciam em termos de funcionamento e nas aplicações.
O efeito fotoelétrico é a emissão de elétrons que ocorre quando a luz incide sobre uma superfície (com comprimento de onda adequado), absorve fótons de luz e libera elétrons. Os elétrons são “jogados para fora”, sendo externalizados. É um efeito imediato, ocorre assim que a luz solar recai sobre o material. É usado em sensores de movimento, fotocélulas de iluminação pública, câmeras digitais, etc.
O efeito fotovoltaico, por sua vez, cria a corrente elétrica por meio de uma tensão, deixando os elétrons contidos no material. Eles se movimentam pelas células das placas solares. O formato e composição dos painéis são essenciais para causar o efeito fotovoltaico, que gera o potencial elétrico.
Tipos de células fotovoltaicas
Existem diferentes tipos de células fotovoltaicas disponíveis no mercado, cada uma com suas características e aplicações específicas. Veja os principais tipos e utilizações.
Célula de silício policristalino
As células de silício policristalino são formadas por múltiplos cristais de silício. São conhecidas pelo preço mais acessível, sendo uma opção popular para sistemas residenciais e industriais, além de ser comum também em usinas solares.
Células de silício monocristalino
Neste caso, as células são feitas a partir de um único cristal de silício, o que as torna mais eficientes e duráveis. Também são uma opção comum, como o tipo anterior.
Elas têm um custo inicial mais alto, mas a alta eficiência pode resultar em um retorno mais rápido sobre o investimento. Estruturalmente, têm os cantos cortados em forma de octógono.
Células de filme fino
São uma alternativa leve e flexível às células de silício, feitas pela composição de camadas finas de material fotovoltaico em superfícies.
Têm uma conversão baixa, mas são uma boa opção para dispositivos pequenos, como calculadoras.
As tecnologias de filme fino mais utilizadas são silício amorfo (a-Si), seleneto de cobre, gálio, índio (CIGS) e telureto de cádmio (CdTe).
Seleneto de cobre, índio e gálio
Essas células, conhecidas como CIGS, são compostas por uma combinação dos elementos cobre, índio e gálio.
Oferecem boa eficiência em comparação com outras tecnologias de filme fino e são ideais para aplicações onde a flexibilidade é importante.
Silício amorfo
O silício amorfo é uma forma não cristalina utilizada em células de filme fino. Embora tenha eficiência inferior, é versátil e pode ser uma escolha interessante em alguns casos.
É um tipo aplicado em pequena escala. Sua produtividade de energia elétrica é baixa, então é comum ser produzida por empilhamento (com camadas conjugadas, a fim de aumentar sua eficiência).
Telureto de cádmio
Usada em placas solares de película fina, têm excelente custo-benefício, mas é importante ressaltar que o cádmio é um metal pesado tóxico.
Arseneto de gálio
Tem um valor de aquisição elevado, devido a sua alta eficiência. É destinado à indústria espacial, como em satélites, por exemplo.
Célula fotovoltaica orgânica (OPV)
Têm o potencial de serem leves e flexíveis, com um custo de produção menor. Muito utilizadas em residências e estabelecimentos de pequeno porte.
Célula fotovoltaica híbrida (HJT – Heterojunção)
É uma combinação de camadas de silício amorfo (filme fino) com silício cristalino, o que garante maior eficiência e desempenho em condições de baixa luminosidade.
Qual a eficiência das células fotovoltaicas?
Aqui estão algumas estimativas gerais de eficiência das células fotovoltaicas:
- células de silício monocristalino: variam entre 18% e 21%, mas modelos de ponta podem alcançar até mais em condições ideais;
- células de silício policristalino: a conversão dessas células é um pouco menor, normalmente entre 13% e 18%;
- células de filme fino: geralmente entre 7% e 13% de eficiência, embora algumas tecnologias, como as células de telureto de cádmio, possam atingir até 16%;
- células de seleneto de cobre, índio e gálio (CIGS): operam na faixa de 10% a 12%, com algumas alcançando resultados maiores em laboratórios;
- células de silício amorfo: apresentam eficiência mais baixa, geralmente em torno de 6% a 9%;
- células fotovoltaicas de telureto de cádmio: a capacidade de conversão dessas células fica entre 9% e 16%;
- células fotovoltaicas de arseneto de gálio: podem alcançar a eficiência de 28%, o que explica sua utilização apenas na indústria espacial.
- células fotovoltaicas híbridas (HJT – heterojunção): a combinação de materiais traz um ganho de 20% na capacidade de conversão.
A eficiência é um fator importante a ser considerado ao escolher um sistema de energia solar por impactar diretamente a quantidade de eletricidade que pode ser gerada a partir da mesma área de superfície.
Leia também: o que é a eficiência de um painel solar?
Aplicações das células fotovoltaicas
As células fotovoltaicas têm uma ampla gama de aplicações que vão além da geração de eletricidade para residências e empresas.
Alguns exemplos são:
- geração de energia residencial: muitos proprietários instalam sistemas de painéis solares no telhado de suas casas para gerar sua própria eletricidade, reduzindo a dependência da rede elétrica e economizando na conta de luz;
- usinas de energia solar: em larga escala, são usadas em usinas solares, onde grandes áreas são cobertas com painéis para produzir eletricidade em massa. Depois, essa energia é distribuída para a rede elétrica;
- aplicações industriais: muitas indústrias estão adotando sistemas fotovoltaicos para atender suas demandas, muitas vezes utilizando telhados ou terrenos ociosos para instalar painéis solares;
- sistemas de irrigação: em áreas agrícolas, são usadas para alimentar bombas de irrigação, promovendo a eficiência energética e a sustentabilidade;
- carregamento de dispositivos eletrônicos: células fotovoltaicas menores são frequentemente usadas em dispositivos portáteis, como carregadores solares para smartphones e outros equipamentos;
- iluminação pública: sistemas de iluminação pública alimentados por energia solar estão sendo usados em muitas cidades, oferecendo uma solução sustentável e econômica para levar luz para ruas, praças, campos etc.;
- transporte: o uso de células fotovoltaicas em veículos elétricos, inclusive de transporte público, está aumentando, promovendo uma mobilidade sustentável.
Impacto ambiental causado pela célula fotovoltaica
A energia solar é, em essência, uma tecnologia sustentável de baixo impacto ambiental. Mas vale lembrar que a fabricação de uma célula fotovoltaica requer o uso de diversos produtos químicos, então o controle durante sua produção é muito rigoroso.
Assim sendo, elas são produzidas em ambiente controlado, com tratamento de todos os resíduos, resultando em um processo seguro, tanto para as pessoas quanto para o planeta.
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