A anatomia de uma Célula Fotovoltáica

 Antes, o silício era eletricamente todo neutro. Nossos elétrons extras foram balanceados pelos prótons extras nos fosforosos. Os elétrons que estão faltando (buracos) foram balanceados pelos prótons que estão faltando no boro. Quando os buracos e os elétrons se misturam na junção do silício tipo-N e tipo-P, essa neutralidade é rompida. Todos os elétrons livres preenchem todos os buracos livres? Não. Se eles preenchessem, então a organização total não seria muito útil. Porém, bem na junção, eles se misturam formando uma barreira, dificultando mais e mais para os elétrons no lado N atravessarem para o lado P. Finalmente, o equilíbrio é alcançado e temos um campo elétrico separando os dois lados.

O efeito do campo elétrico em uma célula FV

Este campo elétrico atua como um diodo, permitindo (e mesmo empurrando) os elétrons para fluírem do lado P para o lado N, mas não ao contrário. É como uma montanha, os elétrons podem descer facilmente a montanha (para o lado N), mas não podem subi-la (para o lado P).

Então, conseguimos um campo elétrico atuando como um diodo no qual os elétrons apenas podem se mover em um sentido. Vamos ver o que acontece quando a luz atinge a célula.  

Quando a luz, na forma de fótons, atinge nossa célula solar, sua energia libera os pares de furos e elétron-buraco.

Cada fóton com energia suficiente normalmente liberará exatamente um elétron, resultando em um buraco livre também. Se isto acontece muito perto do campo elétrico, ou se acontecer do elétron livre e do buraco livre estarem na região de influência do campo, ele enviará o elétron para o lado N e o buraco para o lado P. Isto causa ruptura adicional da neutralidade elétrica e, se fornecermos um caminho externo para a corrente, os elétrons fluirão, através do caminho, para seu lado original (o lado P) para unirem-se com os buracos que o campo elétrico enviou para lá, fazendo o trabalho para nós ao longo do caminho. O fluxo de elétrons fornece a corrente e o campo elétrico das células causa uma voltagem. Com a corrente e a voltagem, temos apotência que é o produto dos dois.

Ainda restam algumas etapas antes que possamos realmente usar nossa célula. Acontece que o silício é um material muito brilhante e, portanto, reflete muito. Os fótons que são refletidos não podem ser usados pela célula. Por esta razão, um revestimento anti-reflexo é aplicado no topo da célula para reduzir a perda de reflexo para menos de 5%.

A etapa final é a placa de cobertura de vidro que protege a célula dos fenômenos atmosféricos. Os módulos são feitos pela conexão de várias células (geralmente 36) em séries e em paralelo para atingir níveis úteis de voltagem e corrente, e colocá-las em uma forte estrutura completa com cobertura de vidro e terminais positivos e negativos na parte de trás.

Perda de energia numa célula solar

  A luz visível é parte do espectro eletromagnético. A radiação eletromagnética não é monocromática, é composta de uma variação de comprimentos de onda diferentes e conseqüentemente de níveis de energias diferentes.

  A luz pode ser separada em comprimentos de onda diferentes e podemos vê-los na forma de um arco-íris. Como a luz que atinge nossa célula tem fótons de uma grande variedade de energias, alguns deles não possuem energia suficiente para formar um par de elétron-buraco. Eles simplesmente passarão pela célula como se ela fosse transparente. Somente uma certa quantidade de energia, medida em elétron-volts (eV) e definida por nosso material da célula (cerca de 1,1 eV para o silício cristalino), é requerida para arrancar um elétron. Chamamos isso de energia de espaçamento entre as bandas de um material. Se um fóton tem mais energia do que a quantidade necessária, então a energia extra é perdida (a menos que um fóton tenha o dobro da energia requerida, e possa criar mais do que um par de elétron-buraco, mas este efeito não é significativo). Estes dois efeitos sozinhos são responsáveis pela perda de cerca de 70% da energia de radiação incidente na nossa célula.

  Por que não podemos escolher um material com um espaçamento entre as bandas realmente baixo para que possamos usar mais fótons? Infelizmente, nosso espaçamento determina a intensidade (voltagem) de nosso campo elétrico, e se for muito baixo, então obtemos uma corrente extra (pois mais fótons são absorvidos), e assim perdemos por ter uma voltagem baixa. Lembre-se de que a potência é a voltagem vezes a corrente. O espaçamento ideal entre as bandas, balanceando estes dois efeitos, está em torno de 1,4 eV para uma célula de um único material.

  Também temos outras perdas. Nossos elétrons tem de fluir de um lado da célula para o outro através de um circuito externo. Podemos cobrir a parte inferior com um metal, permitindo uma boa condução, mas se cobríssemos completamente a parte superior, então os fótons não conseguiriam atravessar o condutor opaco e perderíamos toda nossa corrente (em algumas células, os condutores transparentes são usados na superfície superior). Se colocarmos nossos contatos apenas nas laterais de nossas células, então os elétrons terão de percorrer uma distância extremamente longa (para um elétron) para alcançar os contatos. Lembre-se de que o silício é um semicondutor, não é nem de longe tão bom quanto o metal para o transporte da corrente. Sua resistência interna (chamada de resistência de série) é razoavelmente alta, significando altas perdas. Para minimizar estas perdas, nossa célula é coberta por uma rede de contato metálica que reduz a distância que os elétrons devem percorrer enquanto cobrem apenas uma pequena parte da superfície da célula. Mesmo assim, alguns fótons são bloqueados pela rede, que não pode ser muito pequena ou então sua própria resistência será muita alta.

Alimentando uma casa com energia solar

  Agora que temos nosso módulo FV, o que fazemos com ele? O que você teria que fazer para trazer energia para sua casa através da energia solar? Embora não seja tão simples como colocar alguns módulos no telhado, também não é tão difícil assim.

  Primeiro de tudo, nem todo telhado tem a orientação ou o ângulo de inclinação adequado para tirar proveito da energia solar. Sistemas FV sem rastreamento no Hemisfério Norte devem apontar em direção ao sul (esta é a orientação). Eles devem ficar inclinados em um ângulo igual à latitude da área para absorver a máxima quantidade de energia o ano todo. Uma orientação e/ou inclinação diferente poderia ser usada se você quisesse maximizar a produção de energia para a manhã ou tarde e/ou, ainda, para o verão ou inverno. É claro que os módulos nunca devem receber sombra de árvores ou de prédios vizinhos, não importa a hora do dia ou a época do ano. Em um módulo FV, mesmo se apenas uma das 36 células estiver na sombra, a produção de energia será reduzida por mais da metade.

  Se você tem uma casa com um telhado sem sombra e direcionado para o sul, você deve decidir que tipo de sistema você precisa. Isso é complicado porque sua produção de eletricidade depende do clima, o que nunca é completamente previsível, e sua demanda de eletricidade também pode variar. Estes obstáculos são bem fáceis de superar. Os dados metereológicos dão uma média mensal de níveis de raios solares para áreas geográficas diferentes. Eles levam em consideração as chuvas e os dias nublados, bem como a altura, umidade e outros fatores subentendidos. Você deve planejar para o pior mês para ter eletricidade o suficiente para o ano inteiro. Com esses dados, e sabendo sua demanda doméstica média (suas contas de serviços públicos informam a quantidade de energia que você gasta em cada mês), existem métodos simples para determinar exatamente quantos módulos você vai precisar. Você também vai precisar saber a voltagem do sistema, que você pode controlar decidindo quantos módulos deve cabear em série.

  Você já deve ter percebido quantos problemas vamos ter que resolver. Primeiro, o que fazer quando o sol não sair? Certamente, ninguém iria querer ter apenas eletricidade durante o dia e apenas em dias claros. Precisamos armazenar energia, baterias. Infelizmente, as baterias aumentam muito o custo e a manutenção do sistema PV. Porém, atualmente é uma necessidade se você quiser ser completamente independente. Uma forma de contornar o problema é associar sua casa a uma rede de serviço público, comprando energia quando necessário e vendê-la quando produzir demais. Desta forma, o serviço público atua praticamente como um sistema de armazenamento infinito. O serviço público tem que concordar e, na maioria dos casos, comprarão a energia de você a um valor bem menor do que o preço de venda deles. Você também vai precisar de um equipamento especial para ter certeza de que a energia que está vendendo para o serviço público está sincronizado com o deles, isto é, se compartilha as mesmas formas de ondas e freqüência. A segurança também é um problema. O serviço público tem que assegurar que, se houver interrupção de energia em seu bairro, seu sistema PV não fornecerá eletricidade para as linhas que eles acham que estão inutilizadas. Isto é chamado de isolamento.

  Se você decidir usar baterias, tenha em mente que elas precisarão de manutenção e substituição depois de alguns anos. A duração dos módulos PV deve ser de 20 anos ou mais, mas as baterias não têm um tempo de vida útil tão longo assim. As baterias nos sistemas PV também podem ser muito perigosos por causa da energia que elas armazenam e dos eletrólitos acidíferos que elas contêm, então você vai precisar de um lugar muito bem ventilado e não metálico para elas.

  Embora muitos tipos diferentes de baterias sejam usados, a única característica que todas elas devem ter em comum é serem baterias de ciclo profundo. Diferentemente da bateria de seu carro, que é uma bateria de ciclo-baixo, as baterias de ciclo profundo podem descarregar mais a energia armazenada enquanto mantiverem uma longa vida. Para dar a partida no carro, as baterias descarregam uma grande corrente num período muito curto e, imediatamente, recarregam enquanto você dirige. As baterias PV geralmente tem que descarregar uma corrente menor em um período maior (como durante a noite toda), enquanto é carregada durante o dia.

  As baterias de ciclo-profundo mais usadas são as baterias de chumbo(ambas seladas e ventiladas) e as baterias de níquel-cádmio. As baterias de níquel-cádmio são mais caras, mas duram mais e podem ser descarregadas mais por completo sem causar danos. Mesmo as baterias de chumbo de ciclo profundo não podem ser descarregadas 100% sem reduzir seriamente o tempo de vida e, geralmente, os sistemas PV são projetados para descarregar as baterias de chumbo não mais de 40 ou 50%.

  O uso das baterias também requer a instalação de outro componente chamado controlador de carga. Elas duram muito mais se tomar cuidado para que não sejam sobrecarregadas ou descarregadas demais. É isso que o controlador de carga faz. Uma vez que as baterias estejam totalmente carregadas, o controlador não deixa que a corrente dos módulos PV continuem fluindo para eles. Também, uma vez que as baterias tenham sido descarregadas até certo nível, controladas pela medição de voltagem, muitos controladores de carga não permitirão que mais corrente seja drenada das baterias até que elas tenham sido recarregadas. O uso do controlador de carga é essencial para a vida longa da bateria.

  Outro problema é que a eletricidade gerada por seus módulos PV (e extraída das baterias se você optar por usá-las) é uma corrente direta, enquanto que a eletricidade fornecida pela empresa de energia (e o tipo que todo aparelho em sua casa usa) é a corrente alternada. Você vai precisar de um inversor, um aparelho que converte a DC (corrente direta) para a CA (corrente alternada). A maioria dos grandes inversores também permitirão que controle automaticamente como seu sistema funciona. Alguns módulos PV, chamados de módulos CA, na verdade, já têm um inversor embutido em cada um, eliminando a necessidade de uma grande central inversora e simplificando os problemas de instalação elétrica.