Fotovoltaica

Células solares e módulos Fotovoltaicos

Uma célula solar ou célula fotovoltaica (PV) é um dispositivo semicondutor que converte a luz diretamente em eletricidade pelo efeito fotovoltaico . O material mais comum na produção de células solares é o silício purificado que pode ser aplicado de diferentes maneiras.

Células fotovoltaicas de silício monocristalino (PV) 

As células PV de silício monocristalino são feitas de bolachas de silício que são cortadas a partir de lingotes cilíndricos de silício monocristalino. As células rotundas devem ser cortadas para formar células quase quadráticas, que podem ser facilmente integradas em um módulo. Assim, o silício refinado é desperdiçado no processo de produção celular. O silício monocristalino mostra um comportamento previsível e uniforme, mas, devido aos processos de fabricação cuidadosos e lentos necessários, também é o tipo de silício mais caro.

Os módulos constituídos por células PV de silício monocristalino atingem eficiências comerciais entre 15 e 18%. Até agora, eles são os módulos mais eficientes e, com cerca de 85% em 2010, possuem a maior participação de mercado. No entanto, outras alternativas estão desafiando essa tecnologia.

Uma célula solar feita a partir de uma bolacha de silício monocristalino

Células fotovoltaicas de silício policristalino (PV)

As células fotovoltaicas de silício policristalino ou multi-cristalino são feitas de lingotes quadrados fundidos – grandes blocos de silício fundido; cuidadosamente resfriado e solidificado. Eles são menos caros de produzir do que as células fotovoltaicas de silício monocristalino, mas são marginalmente menos eficientes, com eficiências de conversão de módulos entre 13 e 16.

-> PVCDROM.org , um site educacional em energia fotovoltaica, mostra o processo de produção de células PV de silício policristalino com imagens e sequências de vídeos.

Células fotovoltaicas

Células fotovoltaicas policristalinas laminadas em material de suporte em um módulo fotovoltaico

Células fotovoltaicas de película fina (PV)

As várias tecnologias de filme fino atualmente em desenvolvimento reduzem a quantidade (ou massa) de material absorvente de luz necessário para criar uma célula solar. Isso pode levar a custos de processamento reduzidos a partir de materiais a granel (no caso de filmes finos de silício), mas também tende a reduzir a eficiência de conversão de energia (uma eficiência média de 6 a 12%). 

As células PV de filme fino são construídas depositando camadas extremamente finas de materiais semi-condutores fotovoltaicos sobre um material de suporte, como vidro, aço inoxidável ou plástico. Os materiais de filme fino comercialmente utilizados são o silício amorfo (a-Si), o telururo de cádmio (CdTe) e o cobre-indio (gálio) -diselenido (CI (G) S).

Módulos de filme fino comercialmente disponíveis:

  • São potencialmente mais baratos fabricar que células cristalinas
  • Tem um atrativo maior do cliente como elementos de design devido à sua aparência homogênea
  • Desvantagens atuais, tais como eficiências de baixa conversão e exigindo áreas maiores de matrizes fotovoltaicas e mais material (cabos, estruturas de suporte) para produzir a mesma quantidade de eletricidade

Uma matriz fotovoltaica

Uma matriz fotovoltaica

Células solares de terceira geração

Atualmente, existem células solares baseadas em diferentes novas tecnologias na via da maturidade do mercado, por exemplo, células de alta eficiência:

Células solares de filme fino III-V:

  • nion dos semicondutores do terceiro e quinto grupo da tabela periódica.
  • Eficiência de 20-25% 
  • Uma variedade de possíveis combinações aumentando o preço ao aumentar a eficiência
  • Conexão mais comum: arsenieto de gálio (GaAs),
  • Aplicação: fonte de alimentação de satélites

Filme fino multi-stack:

  • Pilhas solares III-V de “empilhamento” ou células de silício
  • Eficiência até aproximadamente 37% – Cada célula absorve um certo comprimento de onda e, em seguida, a pilha pode absorver mais do espectro solar
  • O material celular superior tem o maior intervalo de banda e cobre a maior área de absorção. As células subjacentes absorvem a seção do espectro solar com comprimentos de onda menores.
  • Conexão em série das células sobrepostas
  • Outros nomes para células solares mutli-stack (dependendo do número de camadas) são: Tandem, triplos ou múltiplas células em cascata.

Concentrador Fotovoltaico

O concentrador fotovoltaico (CPV) é baseado em lentes ou espelhos que focam luz solar direta em células solares. Essas células consistem em uma pequena quantidade de material PV altamente eficiente, mas caro, (compostos de silício ou III-V, geralmente arsenieto de gálio ou GaA).
Atualmente, as intensidades de concentração variam de um fator de 2 a 100 sóis (baixa concentração) a 1000 sóis (alta concentração). As eficiências dos módulos comerciais estavam na faixa de 20 a 25 por cento, embora as eficiências de 25 a 30 por cento pudessem ser alcançadas com arsenieto de gálio. Uma eficiência de 41,1 por cento foi alcançada no laboratório pelo Fraunhofer Institut für solare Energiesysteme, Alemanha (intensidade de concentração: 450 sóis).Para que o curso dos módulos do Sol Concentrador seja montado em um sistema de rastreamento de 2 eixos. No caso de PV de baixa concentração, existem sistemas de rastreamento de 1 eixo e lentes menos complexas.

Módulo de concentração

Módulo de concentração

Células solares orgânicas 

Células solares sensibilizadas com tintas híbridas:

Em vez de células semicondutoras, as células solares sensibilizadas com tinte híbrido usam um corante orgânico para absorção de luz. A tela de seda simples permite custos de produção eficientes em termos de custos e oferece diferentes ambientes para o design como implementação em fachadas ou em fins publicitários. as células solares sensibilizadas com tintas híbridas são capazes de usar luz solar difusa. A eficiência média varia de 2 a 4%.

Células solares totalmente orgânicas:

As células solares orgânicas ainda estão em estágio inicial de desenvolvimento. Essas células consistem em compostos de hidrocarbonetos orgânicos, bem como uma estrutura de elétrons especiais e são capazes de gerar eletricidade em folhas e têxteis. Atualmente, a eficiência celular média varia entre 3 e 5 por cento. O consumo de materiais menores e as tecnologias de produção mais eficientes levam a um alto potencial de produção eficiente em termos de custos. No entanto, ainda há necessidade de atividades de pesquisa, uma vez que os períodos de vida são muito curtos.

Módulos solares Fotovoltaicos

Para quase todas as aplicações, o meio-volt produzido por uma única célula é inadequado. Portanto, as células são conectadas em série para aumentar a tensão. Várias dessas sequências de células de série podem ser conectadas em paralelo para aumentar a corrente também.

Para usar as células conectadas em aplicações práticas, elas devem ser:

  • protegido contra danos mecânicos durante a fabricação, transporte e instalação e uso (em particular contra o impacto do granizo, vento, areia e cargas de neve). Isto é especialmente importante para as células de silício à base de bolacha que são frágeis.
  • protegido da umidade, que corroe contatos metálicos e interligações, (e para células de película fina a camada de óxido transparente transparente), diminuindo assim o desempenho e a vida útil.

Portanto, as células interligadas e suas conexões elétricas são intercaladas entre uma camada superior de vidro ou plástico transparente e um nível inferior de plástico ou plástico e metal. Uma moldura externa está conectada para aumentar a resistência mecânica e para fornecer uma maneira de montar a unidade. Este pacote é chamado de “módulo” ou “painel”. Normalmente, um módulo é o bloco básico de sistemas fotovoltaicos. 

A potência de pico de um módulo solar depende do número de células conectadas e do tamanho deles. O desempenho do módulo geralmente é classificado em condições padrão de teste (STC)  : irradiação de 1.000 W / m² , espectro solar de AM 1.5 e temperatura do módulo a 25 ° C. Os módulos solares são classificados em picos de watts [W p ] de acordo com a sua saída em STC. Assim, um módulo de 50 W p pode fornecer 50 W de potência em condições ideais. O desempenho é reduzido por altas temperaturas. 

Como módulos de células solares podem ser conectados em série e / ou em paralelo para aumentar a tensão e / ou a corrente, dependendo dos requisitos do sistema. 

Comparação de diferentes tipos de módulos fotovoltaicos

Comparação de diferentes tipos de módulos fotovoltaicos 

Material celular Eficiência do módulo Área de superfície necessária para 1 kW p Vantagens Desvantagens
Silicone monocristalino 15-18% 7-9 m² – Módulos fotovoltaicos mais eficientes
– facilmente disponíveis no mercado
– altamente padronizados
– mais caro
– desperdício de silício no processo de produção
Silicato policristalino 13-16% 8-9 m² – menos energia e tempo necessários para produção do que para células monocristalinas (= custos mais baixos)
– facilmente disponíveis no mercado
– altamente padronizadas
– um pouco menos eficiente do que os módulos de silício monocristalino
Micromorph tandem (aμ-Si) 6-9% 9-12 m² – mais espaço para a mesma saída necessária
Filme fino:
Diselenide de cobre indio (CIS)
10-12% 9-11 m² – temperaturas mais altas e sombreamento têm menor impacto no desempenho
– menores custos de produção
– mais espaço para a mesma saída necessária
Filme fino:
telurídeo de cádmio (CdTe)
9-11% 11-13 m² – temperaturas mais altas e sombreamento têm menor impacto no desempenho
– maior potencial de corte de custos
– mais espaço para a mesma saída necessária
Filme fino:
Amorphus silicon (a-Si)
6-8% 13-20 m² – temperaturas mais altas e sombreamento têm menor impacto no desempenho
– menos silício necessário para a produção
– mais espaço para a mesma saída necessária

Devido à sua alta eficiência, a penetração no mercado e a padronização de módulos de silício monocristalino e policristalino são os módulos mais comuns utilizados nos sistemas de energia solar (SHS). No entanto, a quota de mercado de módulos de filme fino está crescendo, especialmente em sistemas fotovoltaicos integrados e construídos .