Você Sabe Quais São os Principais Tipos de Células Fotovoltaicas? E a Diferença Entre Elas?

Você conhece os principais tipos de células fotovoltaicas utilizadas hoje no mercado?

Células poli ou monocristalinas? Qual delas possui o melhor custo x benefício e o que as diferencia? Existe uma pior e outra melhor?

Bem-vindo(a) novamente à nossa série de artigos técnicos voltados à energia fotovoltaica!

Muitas pessoas nos questionam sobre as diferenças entre as células policristalinas e monocristalinas, tão utilizadas em nosso mercado. Por esta razão, decidimos escrever um artigo dedicado a explicar as suas principais diferenças.

Devido à grande redução dos custos de produção, o mercado tem avançado muito nos últimos anos no que se diz respeito à eficiência das células fotovoltaicas.

Frequentemente são descobertas novas tecnologias que possibilitam que as células solares aproveitem melhor a energia absorvida pelo sol. Resultando em mais energia produzida.

Um Breve Histórico

O efeito fotovoltaico foi primeiramente demonstrado pelo físico francês Edmond Becquerel em 1839. Porém, a primeira célula fotovoltaica foi lançada pelo Laboratório Bell em abril de 1954.

No entanto, as células fotovoltaicas ganharam proeminência apenas em 1958, quando o primeiro satélite alimentado por energia solar foi lançado ao espaço, o Vanguard I americano.

Cerca de 90% da crosta terrestre é composta por minerais de silício. O elemento, quando tratado e purificado, possui a capacidade de conduzir eletricidade quando exposto à luz.

Tamanha disponibilidade e, consequente menor preço da matéria-prima, possibilitaram grandes investimentos em pesquisa e descobertas relacionadas aos materiais semicondutores.

Uma curiosidade: o Vale do Silício, região localizada na Califórnia, abriga as maiores empresas do setor de componentes eletrônicos e tecnologia do mundo.

O silício é componente principal de circuitos eletrônicos que compõe as placas de laptops, celulares e tablets.

O Processo Produtivo

O aumento dos investimentos da indústria global em novas formas de obtenção de energia a partir de fontes limpas, principalmente após 2009, possibilitou a redução drástica nos custos de fabricação das células fotovoltaicas.

Devido à composição de sua matriz energética ser majoritariamente baseada no carvão mineral, a fonte mais poluidora existente, a China, através de diversos incentivos governamentais, passou a figurar como o maior produtor de energia elétrica a partir da fonte fotovoltaica.

O vídeo abaixo explica de forma detalhada o processo de obtenção da matéria-prima e fabricação das células solares que compõe os módulos fotovoltaicos.

Obs.: O vídeo foi produzido em inglês. É possível ativar a legenda, clicando em configurações no canto inferior direito do vídeo e selecionando a tradução automática para o português.

O efeito fotovoltaico ocorre a partir da sobreposição de 2 camadas ultra-finas de silício cristalizado em sua forma mais pura, chegando a 99,999999% de pureza.

Uma das lâminas é carregada com excesso de elétrons (camada “n“, carregada negativamente), enquanto que a outra possui diversos “buracos” (camada “p“, carregada positivamente) que receberão estes elétrons após serem excitados pela luz do sol.

A interface entre as duas camadas, por onde o fluxo de cargas elétricas ocorre, é chamada junção p-n.

Assim, quando há a incidência solar, os elétrons passam continuamente de uma camada para outra, gerando um fluxo de corrente elétrica.

No mercado existem 2 tipos principais: a célula de silício monocristalino e silício policristalino.

A principal diferença entre elas reside no processo de fabricação e será abordado a seguir.

Há outros tipos de células fotovoltaicas no mercado, porém, devido à sua baixa utilização, não serão abordados neste artigo.

Célula de Silício Monocristalino

O processo de fabricação das células monocristalinas foi desenvolvido anteriormente ao processo de produção das policristalinas (ou multicristalinas), devido à formação de um único cristal purificado de silício.

São produzidas finas fatias obtidas a partir de lingotes cilíndricos de silício, que, a são formados a partir da fusão de diversos cristais de silício ultra-puro em um monocristal a mais de 2.000 °C, formado pelo método de Czochralski.

Este procedimento consiste na inserção de uma haste com um cristal-base no tanque do material liquefeito e, através de um processo lento de subida e rotação da haste, é formado o lingote composto por um único cristal ultra-puro.

O processo de formação de um único lingote leva cerca de 48h para ser finalizado.

Veja na figura abaixo como o processo funciona:

Em seguida, o lingote é fatiado em finas lâminas que se resultarão nas células.

Este tipo de célula fotovoltaica apresenta coloração escura, entre o azul-marinho e o preto, com as bordas chanfradas (como na foto).

As bordas das células monocristalinas apresentam este formato devido ao processo de corte do lingote cilíndrico, de forma a reduzir as perdas de material. Caso este tipo de célula fosse cortado em um formato quadrado, mais material seria perdido.

Placa solar composta por células de silício monocristalino

Além do maior desperdício de material durante a laminação e  ao processo de fabricação dos lingotes ser mais lento que o processo de produção das policristalinas, possuem custo ligeiramente maior.

Todavia, por  apresentarem um único cristal em sua composição, apresentam melhor absorção solar e, consequentemente, tendem a apresentar melhor eficiência.

Célula de Silício Policristalino

As células de silício policristalino formam, juntamente com as monocristalinas, os dois principais tipos de células fotovoltaicas utilizadas no mercado.

Apresentam coloração azul, mais claro que as monocristalinas, e formato quadrado, fruto do processo de produção dos lingotes.

Células policristalinas em detalhe

Após aquecidas durante 20h a cerca de 2.000 ºC, as rochas de silício purificado são moldadas em formato de bloco a partir de uma fôrma-base.

Então, o lingote formado é resfriado em um processo lento que dura 3 dias. Durante o resfriamento, milhares de cristais de silício são formados.

Quanto maiores e mais homogêneos estes cristais, maior tende a ser a eficiência de conversão da luz em energia pelas células. Traduzindo: produz-se mais energia com a mesma área.

Em seguida, realiza-se o corte do lingote em diversas lâminas ultra-finas.

O processo de corte resulta em perda de material muito mais baixa, pois o lingote a ser fatiado apresenta seção quadrada.

Assim, a principal diferença entre as duas células está no processo de fundição do silício ultra-puro e formação dos lingotes.

Respondendo à Principal Pergunta: Qual Delas é a Melhor?

Já comentamos sobre o processo de fabricação, eficiência e preço de cada um dos tipos principais de células fotovoltaicas.

Porém, qual delas é a mais indicada para o uso?

Durante o surgimento da tecnologia de policristais de silício, a diferença de eficiência entre elas era bastante significativa.

Contudo, esta diferença, devido à constante evolução do processo de fabricação das células policristalinas,  tem diminuído a cada ano, a ponto de ser praticamente indiferente a escolha entre uma ou outra.

Hoje, as células policristalinas são cerca de 2% menos eficientes.

Se compararmos uma placa solar policristalina à uma monocristalina, ambas com as mesmas dimensões, a placa com múltiplos cristais de silício teria 275 Wp (watts-pico) de potência, contra 280 Wp das produzidas com um único cristal.

As placas monocristalinas apresentam resistência à temperatura ligeiramente maior que as policristalinas.

Porém, devido às temperaturas relativamente baixas a que estarão submetidas, não há grandes vantagens para a maior parte dos casos.

A redução das diferenças constante entre as tecnologias leva a não haver um consenso sobre qual delas é a melhor.

O critério de escolha acaba sendo, então, por disponibilidade do fabricante/fornecedor, política de preços e questões estéticas do cliente.

 

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