Célula Solar: Conceitos Básicos Sobre Como a Luz do Sol Gera Energia Elétrica

Uma célula solar, também chamada de célula fotovoltaica, é a unidade básica da tecnologia solar fotovoltaica e responsável pela conversão da luz do sol em eletricidade. Uma quantidade delas juntas e ligadas em série formam a placa solar. Saiba como ela funciona e quais os tipos existentes.

A geração de energia elétrica através da luz do sol é uma realidade crescente em todo o mundo.

Embora existam duas tecnologias de energia verde disponíveis para isso, a que mais ganha espaço é a solar fotovoltaica.

E no coração dessa tecnologia está a célula solar, na qual o efeito fotovoltaico acontece.

Se você quer entender como funciona energia solar, então o lugar para começar é aqui. 

Conheça abaixo as informações básicas sobre a célula solar fotovoltaica:

O que é uma célula solar?

Uma célula solar, ou célula fotovoltaica, é um dispositivo eletrônico que capta a luz do sol e a transforma diretamente em eletricidade.

A primeira célula solar da história foi criada 1883 pelo americano Charles Fritts, feita de Selênio e ouro, e com 1% de eficiência.

Hoje existem diversos tipos de células fotovoltaicas feitas com os mais diversos materiais.

As células são agrupadas para formar unidades maiores chamadas módulos solares, ou placa solar, como é conhecida popularmente.

Por sua vez, os módulos são agrupados para formar o painel solar, que se espalham pelos telhados dos consumidores do Brasil e do resto do mundo.

Cada célula gera alguns volts de eletricidade, portanto, o trabalho de um painel solar é combinar a energia produzida por muitas células para gerar uma quantidade útil de corrente e tensão elétricas.

Células solares também são utilizadas em tamanho reduzido para fornecer energia para pequenos aparelhos, como calculadoras de bolso e relógios digitais.

São chamadas de células fotovoltaicas (PhotoVoltaic, na palavra em inglês) porque usam a luz do sol (“Photo” palavra grega para luz) para produzir eletricidade (a palavra “voltaica” é uma referência ao italiano pioneiro em eletricidade Alessandro Volta, 1745-1827).

A grande maioria das células solares fabricadas e comercializadas no mundo são feitas de Silício (Si), material semicondutor e segundo elemento químico mais abundante na crosta terrestre.

O que acontece é que um semicondutor, em seu estado puro (ou intrínseco), se torna eletricamente neutro devido a recombinação de elétrons pelos átomos do elemento do qual é feito.

Por isso, para a fabricação de uma célula fotovoltaica o silício precisa passar por um processo chamado de dopagem, que recombina a sua formação original com outros elementos,  como o fósforo (P) e o Boro (B).

Como funciona a célula solar?

Essa recombinação cria duas camadas opostas do semicondutor, uma positiva (Tipo P, com falta de elétrons) e uma negativa (Tipo N, com sobra de elétrons).

Essas camadas são colocadas juntas dentro da célula, com a negativa na parte de cima e a positiva na parte de baixo, e uma fina grade unindo as duas, como na imagem abaixo:

célula solar _ uma célula fotovoltaica
A célula fotovoltaica como representação gráfica do efeito fotovoltaico.

Quando os fótons atingem a célula, eles reagem com os átomos de silício dopado e fazem com que os elétrons do lado negativo se desprendam.

Esses elétrons não conseguem passar diretamente para o lado positivo, e vice versa, devido a um campo elétrico que se cria nessa área de junção.

Assim, o único caminho para eles é através da fina grade que une as camadas e que cria a corrente elétrica que chamamos de energia solar fotovoltaica.

Vemos, então, que o funcionamento de uma célula solar está diretamente ligada a quantidade de luz que chega até ela, mas nem toda a luz incidente é transformada em energia.

Isso acontece porque fótons possuem diferentes cargas de energia e apenas aqueles com cargas adequadas conseguem liberar os elétrons do semicondutor.

Fótons com energia excedente ou inferior à necessária somam mais de 50% da luz que incide sobre uma célula fotovoltaica.

Somando-se a outras perdas, como as provocadas por sombreamento dos contatos frontais e resistência em série, o percentual de luz aproveitado por uma célula solar é de apenas 13% de toda radiação solar que recebe.

Uma célula fotovoltaica consegue transformar qualquer tipo de energia luminosa em eletricidade, mas será que A Energia Solar funciona à Noite? [Veja se você acertou]

Tipos de células solares

Apesar das células de silício serem as mais populares, elas dividem-se em dois modelos diferentes e que se juntam a outros tipos de células usadas no mundo.

Veja abaixo as principais delas:

Célula solar de Silício Cristalizado

Células de silício são desenvolvidas desde os anos 50, quando sua eficiência era de apenas 6%, mas após anos de evolução nas técnicas de produção hoje superam as demais e dominam o mercado.

A maioria das grandes e micros usinas fotovoltaicas em funcionamento hoje no mundo utilizam painéis solares com células de silício cristalizado, principalmente do tipo policristalino.

A areia e o quartzo são as formas mais abundantes na natureza para extração do silício, que precisa passar por complexos e onerosos processos de purificação. São dois tipos de células de silício cristalizado:

Silício Monocristalino (m-Si)

Feitas com uma forma mais pura do silício, as células monocristalinas possuem a maior eficiência na conversão elétrica das células fotovoltaicas, entre 15% a 18%.

Porém são mais caras devido aos processos necessários para extração do cristal puro de silício.

célula solar _ célula de Silício Cristalizado

Células Fotovoltaicas de silício cristalizado – fonte: GreenPro/Suniva (www.suniva.com)

Silício Policristalino (p-Si)

Por utilizarem uma forma menos pura do silício, as células policristalinas são mais baratas.

Mas apresentam um grau de eficiência menor que as células monocristalinas, entre 13% a 15%.

célula solar _ Célula Fotovoltaica de Silício Policristalino

Células Fotovoltaicas de Silício Policristalino

Células de Película Fina

Nesse tipo de célula, também chamada de célula de filme fino, o semicondutor é aplicado sobre uma fina superfície de vidro ou plástico, o que a torna flexível e apta a diferentes aplicações da tecnologia fotovoltaica.

São muito boas na absorção da radiação luminosa e, por utilizarem menos material semicondutor, são mais baratas que as de silício cristalizado, porém com menor grau de eficiência na conversão elétrica.

Os  principais tipos são:

Silício Amorfo (a-Si)

A palavra “amorfo” significa “sem forma”, o quê significa que esse silício não possui característica cristalina, sendo formado pela absorção de hidrogênio e resultando em uma célula de pouca eficiência, entre 8% a 10%, a qual ainda é degradada pela ação da luz nos primeiros meses de uso.

Disseleneto de Cobre e Índio (CIS)

Células de CIS não sofrem degradação da luz, mas se tornam instáveis em locais com altas temperaturas ou umidade, necessitando de bom revestimento para constituição do módulo fotovoltaico.

Apresentam a melhor eficiência entre as células de filme fino, entre 10% e 13%.

No entanto, as células de CIS tem sua produção limitada devido ao Índio (In), elemento muito requisitado para a fabricação de smartphones.

Telureto de Cádmio (CdTe)

Compostas, entre outros, por sulfato de Cádmio (CdS), células de CdTe possuem boa eficiência, até 16%.

Contudo sua fabricação em larga escala é desencorajada devido ao uso gasoso do Cádmio, altamente tóxico.

Células Orgânicas (OPV)

Essas células se assemelham às de filme fino, sendo constituídas de polímeros ou moléculas orgânicas impressas sobre substratos transparentes e flexíveis, o que garante às células orgânicas maior aplicabilidade.

Contudo, apresentam baixa eficiência (até 11%) e vida útil quando comparadas às células de silício cristalino.

Célula solar de Perovskita

Células de Perovskita são a grande aposta da indústria de painéis fotovoltaicos, com uma tecnologia que supera todas as outras na absorção da luz em diferentes comprimentos de onda.

Isso garante uma alta eficiência na conversão elétrica, chegando a 20% em testes laboratoriais.

Porém sua baixa vida útil e degradação ao contato com umidade ainda são desafios a superar para a sua aplicação comercial.

É importante não confundir a eficiência das células solares fotovoltaicas com a eficiência das placas solares que compõem um sistema fotovoltaico.

Existem muito mais informações sobre a célula solar, as quais você confere neste artigo:Célula Fotovoltaica – O Guia Técnico Absolutamente Completo