Célula solar

Uma célula solar, feita de silício policristalino

Painel solar.

Uma célula solar (também chamada célula fotoelétrica ou célula fotovoltaica) é um dispositivo elétrico de estado sólido capaz de converter a luz diretamente em energia elétrica por intermédio do efeito fotovoltaico.

Os conjuntos de células usadas para fazer módulos solares utilizados na captura de energia da luz solar são conhecidos como paineis ou placas solares. A energia gerada por este módulos solares é chamada energia solar fotovoltaica.

O termo "célula fotoelétrica" também é usado para componentes eletrônicos capazes de medir a intensidade luminosa, traduzindo-a em uma corrente elétrica proporcional. Incluem-se nesta categoria os fotodiodos, fototransistores, LDRs (resistores dependentes de luz, à base de sulfeto de cádmio), fotocélulas de selênio e outros. Uma aplicação típica destes sensores de luz é em fotômetros, usados para medir a iluminação de uma cena a ser fotografada.

História

O efeito fotovoltaico foi primeiro demostrado experimentalmente pelo físico francês Alexandre Edmond Becquerel. Em 1839, aos 19 anos, experimentando no laboratório de seu pai, ele construiu a primeira célula fotovoltaica do mundo. Willoughby Smith descreveu pela primeira vez o "Efeito da Luz em selênio durante a passagem de uma corrente elétrica", em um artigo que foi publicado no 20 de fevereiro de 1873 da revista Nature. Contudo, só em 1883 foram construídas as primeiras células fotoelétricas, por Charles Fritts, que cobriu o selênio semicondutor com uma camada extremamente fina de ouro de modo a formar junções. O dispositivo teve apenas cerca de 1% de eficiência.

Eficiência

Atualmente, as células fotovoltaicas apresentam eficiência de conversão da ordem de 16%. Existem células fotovoltaicas com eficiências de até 28%, fabricadas de arseneto de gálio, mas o seu alto custo limita a produção dessas células solares para o uso da indústria espacial. A intensidade da radiação solar (radiância) na superfície terrestre chega até 1.000 watts por metro quadrado, o que representa um enorme potencial energético.

Impacto ambiental

Por não gerar nenhum tipo de resíduo, a célula fotovoltaica solar é considerada uma forma de produção de energia limpa, sendo alvo de estudos em diversos institutos de pesquisa ao redor do mundo.

Principais tipos de células fotoelétricas

A primeira geração de células fotovoltaicas é constituída pelas células de silício cristalino. As células consistem de uma lâmina de silício na qual é formada uma junção PN díodo de junção, capaz de gerar energia elétrica utilizável a partir de fontes de luz com os comprimentos de onda da luz solar. A primeira geração de células constitui a tecnologia dominante em termos de produção comercial, representando mais de 80% do mercado mundial.

A segunda geração de materiais fotovoltaicos está baseada no uso de filmes finos de semi-condutores. A vantagem de utilizar estes filmes é a de reduzir a quantidade de materiais necessárias para as produzir, bem como de custos. Existem diferentes tecnologias e materiais semicondutores em investigação ou em produção de massa, como o silício amorfo, silício policristalino ou microcristalino, telureto de cádmio e célula solar CIGS. Tipicamente, as eficiências das células solares de filme fino são baixas quando comparadas com as células tradicionais de silício cristalino, mas os custos de manufatura são também mais baixos, pelo que se pode atingir um preço de instalação mais reduzido por watt. Outra vantagem da reduzida massa é o menor suporte necessário quando se colocam os painéis nos telhados e permite arrumá-los e dispô-los em materiais flexíveis, como os têxteis, plásticos ou integração direta nos edifícios.

A terceira geração fotovoltaica é muito diferente das duas anteriores, definida por utilizar semicondutores que dependam da junção p-n para separar partículas carregadas por fotogestão. Estes novos dispositivos incluem células fotoeletroquímicas e células de nanocristais.

Abaixo seguem as principais tecnologias de fabricação de células fotoelétricas utilizadas atualmente.

• Silício cristalino (c-Si)

É a tecnologia mais empregada no mercado atualmente, com uma participação de 95% do mercado de células fotoelétricas. Atualmente apresenta um rendimento de 15 a 21% em suas células; painéis solares feitos de células de silício cristalino tem rendimento de 13 a 17%.

• Silício amorfo (a-Si)

Participação de cerca de 3,7% do mercado de células fotoelétricas, tem rendimento de cerca de 7%.

• CIGS

Nome comercial para células de filme fino fabricadas com Cu(In,Ga)Se₂. Participação de 0,2% do mercado de células fotoelétricas e rendimento de 13%. Atualmente sofre problemas com o abastecimento de índio para sua produção, visto que 75% de todo o consumo do material no mundo se dá na fabricação de monitores de tela plana, como LCDs e monitores de plasma.

• Arsenieto de gálio (GaAs)

Atualmente é a tecnologia mais eficiente empregada em células solares, com rendimento de 28%. Porém, seu custo de fabricação é extremamente alto, tornando-se proibitivo para produção comercial, sendo usado apenas em painéis solares de satélites artificiais.

• Telureto de cádmio (CdTe)

Participação de 1,1% do mercado de células fotoelétricas, é uma tecnologia que emprega filmes finos de telureto de cádmio. Apresenta pouco apelo comercial devida à alta toxicidade do cádmio.

Tabela custo da força

20 anos, 4%	2400 kWh	2200 kWh	2000 kWh	1800 kWh	1600 kWh	1400 kWh	1200 kWh	1000 kWh	800 kWh
200 $ / kWp	0,7	0,9	1,0	1,1	1,3	1,4	1,7	2,0	2,5
600 $ / kWp	2,5	2,7	3,0	3,3	3,8	4,3	5,0	6,0	7,5
1000 $ / kWp	4,2	4,5	5,0	5,6	6,3	7,1	8,3	10,0	12,5
1400 $ / kWp	5,8	6,4	7,0	7,8	8,8	10,0	11,7	14,0	17,5
1800 $ / kWp	7,5	8,2	9,0	10,0	11,3	12,9	15,0	18,0	22,5
2200 $ / kWp	9,2	10,0	11,0	12,2	13,8	15,7	18,3	22,0	27,5
2600 $ / kWp	10,8	11,8	13,0	14,4	16,3	18,6	21,7	26,0	32,5
3000 $ / kWp	12,5	13,6	15,0	16,7	18,8	21,4	25,0	30,0	37,5
3400 $ / kWp	14,2	15,5	17,0	18,9	21,3	24,3	28,3	34,0	42,5
3800 $ / kWp	15,8	17,3	19,0	21,1	23,8	27,1	31,7	38,0	47,5
4200 $ / kWp	17,5	19,1	21,0	23,3	26,3	30,0	35,0	42,0	52,5
4600 $ / kWp	19,2	20,9	23,0	25,6	28,75	32,9	38,3	46,0	57,5
5000 $ / kWp	20,8	22,7	25,0	27,8	31,3	35,7	41,7	50,0	62,5

Ver também

• Energia térmica
• Energia elétrica
• Energia solar