Tipos de Células Solares: Funcionamento, Design e Aplicações Práticas

Neste artigo, você aprenderá sobre células solares e seu princípio de funcionamento, diferentes tipos de células solares, sua construção e aplicações. Também pode baixar o PDF gratuito deste artigo.

Célula Solar e Tipos

O que é Célula Solar?

Na conversão fotovoltaica (FV), a radiação solar incide sobre dispositivos semicondutores chamados células solares, que convertem a luz solar diretamente em eletricidade.

Um diagrama esquemático de uma célula fotovoltaica (célula FV) ou célula solar é mostrado na figura.

Baseia-se no efeito da luz na junção entre dois tipos de semicondutores: tipo p e tipo n. O tipo n tem excesso de elétrons; o tipo p tem falta de elétrons (lacunas).

Quando luz intensa incide na célula, a energia dos fótons permite que os elétrons se libertem da junção.

Isso é chamado de efeito fotoelétrico. Para silício monocristalino (4 elétrons de valência), 'p' é obtido dopando silício com boro (3 elétrons de valência), tipicamente 1 µm espesso; 'n' é obtido dopando com arsênio ou fósforo (5 elétrons de valência), tipicamente 800 µm espesso.

Leia também: O que é Painel Solar? Tipos, Funcionamento, Vantagens e Mais

Tipos de Células Solares

Seguem os diferentes tipos de células solares usados em painéis solares:

1. Células solares de silício amorfo (a-Si).
2. Célula solar biohíbrida.
3. Célula solar de contato enterrado.
4. Célula solar de telureto de cádmio (CdTe).
5. Célula PV Concentrada (CVP e HCVP).
6. Células solares de Cobre Índio Gálio Seleneto (CI(G)S).
7. Célula solar de silício cristalino (C-Si).
8. Célula solar sensibilizada por corante.
9. Célula solar híbrida.
10. Célula solar de múltiplas junções.
11. Célula solar monocristalina.
12. Célula solar de nanocristal.
13. Célula fotoeletroquímica.
14. Célula solar de estado sólido.
15. Célula solar de filme fino (Thin-Film).
16. Células solares baseadas em wafer.

#1 Células Solares de Silício Amorfo (a-Si)

São versões modificadas de células solares de filme fino. Usam três camadas de silício amorfo com diferentes energias de banda proibida (bandgap), permitindo que cada camada responda a uma parte diferente do espectro solar, aumentando a eficiência de conversão.

Células amorfas oferecem maior eficiência que outros tipos e são amplamente disponíveis. Porém, requerem o dobro da área superficial para produzir a mesma potência de uma célula monocristalina.

#2 Célula Solar Biohíbrida

Compostas de matéria orgânica (contendo carbono) - fotossistema - e matéria inorgânica (sem carbono). Várias camadas do fotossistema coletam energia fotônica, convertem em energia química e criam corrente que passa pela célula.

A principal vantagem é converter energia solar em eletricidade com 100% de eficiência, ou seja, pouca ou nenhuma perda na conversão de químico para elétrico.

#3 Célula Solar de Contato Enterrado

Tecnologia de alta eficiência. Baseia-se em contato metálico revestido dentro de sulco formado a laser.

Podem oferecer desempenho ~25% superior a células comerciais serigrafadas. Os ganhos de eficiência proporcionam benefícios substanciais de custo e desempenho.

#4 Célula Solar de Telureto de Cádmio (CdTe)

Usa telureto de cádmio em camada semicondutora fina projetada para absorver e converter luz solar em eletricidade. Atua como camada primária de fotoconversão, absorvendo a maior parte da luz visível no primeiro mícron do material.

A camada TCO (óxido condutor transparente) cria campo elétrico que converte a luz absorvida na camada CdTe em corrente e tensão. Esses sistemas são mais eficientes que silício cristalino comparável.

#5 Célula PV Concentrada (CVP e HCVP)

Geram energia elétrica como sistemas fotovoltaicos convencionais. CVP tipicamente usa espelhos curvos para concentrar luz solar em pequenas células solares de múltiplas junções de alta eficiência. Podem atingir ~40% de eficiência e são mais baratas.

#6 Células Solares de Cobre Índio Gálio Seleneto (CI(G)S)

Convertem energia da luz solar em energia elétrica. Feitas depositando camada fina de cobre, índio, gálio e selênio em suporte de vidro ou plástico, com eletrodos para coletar corrente.

Devido ao alto coeficiente de absorção, filme muito mais fino é necessário. Absorvem parcela significativa do espectro solar, atingindo as maiores eficiências.

#7 Célula Solar de Silício Cristalino (C-Si)

Silício cristalino é o principal material semicondutor usado em tecnologia fotovoltaica. Compostas de partículas de silício ligadas formando rede cristalina.

Essa rede organizada torna a conversão de luz em eletricidade mais eficiente. Alta eficiência reduz custo da instalação final.

#8 Célula Solar Sensibilizada por Corante

Célula solar de filme fino de baixo custo baseada em semicondutor formado entre ânodo fotossensível e eletrólito, um sistema fotoeletroquímico. Convertem energia luminosa em elétrica usando corantes orgânicos e semicondutores.

Comparadas a outros tipos, funcionam melhor em altas temperaturas e luz difusa. Além disso, são custo-efetivas, fáceis de fabricar e simples de manipular.

#9 Célula Solar Híbrida

Consistem em dois materiais: semicondutores orgânicos e inorgânicos. O material orgânico contém polímeros conjugados que absorvem luz como doadores e transportam poros.

O material inorgânico atua como aceitador e transportador de elétrons. Vantagem: armazenam energia solar e eletricidade de baixo custo, permitindo uso da energia solar nos horários de pico.

#10 Célula Solar de Múltiplas Junções

Células com múltiplas junções p-n de diversos materiais semicondutores. Cada junção p-n gera corrente elétrica em resposta a diferentes comprimentos de onda da luz.

Absorvem diferentes comprimentos de onda da luz solar incidente usando camadas separadas. Mais eficientes na conversão que células de junção única.

#11 Célula Solar Monocristalina

Composta por barra cilíndrica de silício feita de um único cristal de silício de alta pureza, semelhante a semicondutor. Funciona como célula policristalina.

Quando luz solar incide, absorvem energia e, através de processo complexo, criam campo elétrico que inclui tensão e corrente gerando eletricidade. Têm eficiência relativamente alta.

#12 Célula Solar de Nanocristal

Feitas de material revestido com nanocristais (silício, CdTe, ou SiGs) em substratos de silício ou semicondutores orgânicos.

Nanocristais formados por processo de spin coating: coloca-se solução de quantum dots em superfície plana, espalha-se uniformemente e gira-se até atingir espessura desejada.

#13 Célula Fotoeletroquímica

Absorvem luz solar em semicondutor ou fotossensibilizador para produzir energia elétrica, similar a célula sensibilizada por corante.

Cada célula consiste em um ou dois fotoeletrodos semicondutores e eletrodo de metal e referência adicional imersos em eletrólito. Baixo custo e processo relativamente fácil.

#14 Célula Solar de Estado Sólido

Tipicamente usadas em equipamentos semicondutores, semelhantes a diodos e circuitos integrados. Também em eletrônica de estado sólido sem partes móveis.

Consistem em dois cristais: um dopado com semicondutor tipo n (elétrons livres na banda de condução) e outro dopado tipo p (lacunas de elétrons).

#15 Célula Solar de Filme Fino (Thin-Film)

Projetadas para converter energia solar em elétrica pelo efeito fotovoltaico. Feitas depositando uma ou mais camadas finas em substrato flexível (vidro, plástico, metal).

Hoje, vários tipos de células de filme fino são usados devido ao custo relativamente baixo e eficiência na geração. Tecnologias incluem telureto de cádmio, diseleneto de cobre índio gálio e silício amorfo de filme fino.

#16 Células Solares Baseadas em Wafer

Como o nome sugere, feitas de fatias de silício monocristalino ou multicristalino. Podem atingir a maior eficiência de qualquer tecnologia fotovoltaica. Todas as camadas funcionais são depositadas no substrato e transcritas para separar sub-células eletricamente conectadas.

Funcionamento da Célula Solar

Fótons do sol atingem a face p ultrafina e penetram até a junção, gerando pares elétron-lacuna. Quando a célula é conectada a uma carga, os elétrons difundem do lado n. A direção da corrente (I) é oposta à dos elétrons.

Curvas tensão-corrente típicas mostram-se na figura em dois níveis de radiação solar, com Voc = tensão de circuito aberto, Isc = corrente de curto-circuito. Potência ideal = Vo·Isc. Potência útil máxima = área do maior retângulo sob a curva I-V.

Se tensão e corrente correspondentes são Vm e Im, potência útil máxima = Vm·Im. Razão entre potência útil máxima e potência ideal = fator de preenchimento (k). Valores típicos para célula de silício:

Voc = 450 a 400 mV; Isc = 30 a 50 mA/cm²; k = 0,65 a 0,80.

Células solares em filmes finos ou wafers convertem 3% a <30% da energia solar incidente em eletricidade CC. Conexão série-paralelo permite painéis com tensões de vários kV.

Combinadas com armazenamento e condicionamento de energia, podem ser parte integrante de sistema completo de conversão solar-elétrica.

Aplicações das Células Solares

Muitas aplicações práticas para painéis solares ou fotovoltaicos. Primeiro uso na agricultura como fonte de energia para irrigação. Na saúde, painéis refrigeram suprimentos médicos. Módulos FV são utilizados em sistemas fotovoltaicos e incluem grande variedade de dispositivos elétricos:

Lista de aplicações:

1. Usinas fotovoltaicas.
2. Sistemas fotovoltaicos em telhados.
3. Sistemas FV autônomos (standalone).
4. Sistemas híbridos solares.
5. Fotovoltaico concentrado.
6. Painéis solares.
7. Lasers bombeados a solar.
8. Veículos solares.
9. Painéis solares em naves espaciais e estações espaciais.

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