Qual a tecnologia de módulos fotovoltaicos mais utilizada atualmente?

Os módulos fotovoltaicos são os principais componentes de um sistema para geração de energia solar, responsáveis por absorver a energia presente nos raios solares e transformá-la em energia elétrica. 

São compostos por células solares, que ficam interligadas de modo a produzir tensão e corrente ideal para seu funcionamento. Essas células precisam ser feitas a partir de um material semicondutor, possibilitando a ocorrência do efeito fotovoltaico para produzir eletricidade. 

Hoje em dia, a maioria dos módulos fotovoltaicos mais comercializados são feitos de Silício, que é um material semicondutor com bom desempenho, utilizado também na produção de eletrônicos em geral. 

Os painéis solares de silício podem ser monocristalinos, policristalinos ou, ainda, de filmes finos. Veremos sobre cada uma dessas tecnologias no artigo a seguir. 

Como são feitos os painéis de silício?

Os materiais semicondutores utilizados na fabricação das células fotovoltaicas são compostos por pequenos átomos carregados com elétrons, que possibilitam a formação do efeito fotovoltaico. A fabricação de painéis solares a partir do silício é responsável por cerca de 80% da produção mundial desse tipo de equipamento.

O uso do silício para este fim pode assumir diversas formas, que se diferenciam entre si principalmente quanto à pureza do material utilizado. Quanto mais alinhadas estiverem as moléculas de silício, maior será a conversão de luz solar em energia elétrica, proporcionando maior eficiência. 

Isso indica que a eficiência dos painéis solares está intimamente ligada à pureza deste material, que quanto mais puro, mais eficiente será. É possível recorrer a alguns processos para melhorar a pureza do silício, que no entanto são caros e impactam no preço final do painel solar. 

Em uma das extremidades dos módulos solares fica a carga negativa, onde o silício é combinado com o boro, e na outra fica a carga positiva, associada ao fósforo. O contato dessas moléculas entre si gera uma reação das células fotovoltaicas, que em contato com a luz do sol, produzem eletricidade. 

A principal diferença entre os diversos módulos feitos de silício é o método usado para fazer a fundição dos cristais. Cada técnica leva a resultados diferentes quanto à geração de energia, pois interfere na eficiência e no desempenho desses itens. Veremos a seguir mais detalhes sobre cada um deles. 

Módulos solares de silício monocristalino

A tecnologia utilizada para fabricar os painéis solares monocristalinos é a mais antiga, mas ainda assim é a que resulta em maior eficiência. Chama-se Processo Czochralski, devido às descobertas feitas pelo cientista polonês Jan Czochralski, que, no início do século XX, estudou a velocidade de cristalização de alguns metais.

Os módulos monocristalinos são obtidos a partir de um único cristal de silício ultra puro, que é cortado de modo a criar lâminas individuais. Em seguida, essas lâminas são tratadas e transformadas em células fotovoltaicas.

São fáceis de serem diferenciados dos demais módulos devido aos seus cantos tipicamente arredondados e sua cor uniforme, o que indica o uso de silício de alta pureza. 

Seus cortes são feitos de forma a otimizar o espaço disponível no painel solar, aproveitando da melhor forma a área que será ocupada. No entanto, esse método resulta em grandes quantidades de silício não aproveitado, que precisa ser reciclado.

A tecnologia utilizada para produzir módulos fotovoltaicos monocristalinos resulta no melhor funcionamento em condições de pouca luminosidade. É também a que apresenta os melhores índices de eficiência, que variam entre 14% e 22%, ajudando a economizar espaço.

Tudo isso faz com que a tecnologia de silício monocristalino seja a mais utilizada pelo mercado de energia solar atualmente.

Recentemente, o método PERC passou a ser associado à técnica para produzir silício monocristalino. Essa tecnologia já é foco de estudos e pesquisas há mais de 30 anos, mas faz pouco tempo que começou, de fato, a ser utilizada de maneira comercial.

Sua sigla pode ter várias traduções, mas a mais comum é Passivated Emitter Rear Cell, que descreve o  processo de passivação realizado na parte posterior da célula. 

A passivação diz respeito à adição de uma camada fina de determinado material na superfície da célula. Isso é feito para reduzir a velocidade de recombinação dos elétrons nas extremidades do silício, aproveitando-os da melhor forma e resultando em uma menor perda de energia.  

Esse processo gera um efeito óptico, que promove a reflexão da radiação solar no fundo da célula fotovoltaica. Por causa da passivação, os raios solares passam mais vezes pelo silício, aumentando a captação de energia.

Essa camada refletiva fica localizada entre a camada inferior de alumínio e a camada base de silício presentes na célula. É feita de material dielétrico passivo, que bloqueia a passagem de luz através da camada inferior, gerando acúmulo de elétrons entre a camada base e a camada emissora.

Isso resulta também em um impacto positivo no coeficiente de temperatura, evitando o superaquecimento dos módulos. Vale pontuar que o superaquecimento devido às altas temperaturas pode ser uma das principais causas da queda de desempenho de um sistema solar fotovoltaico, por isso é tão importante evitá-lo.

As técnicas utilizadas para obter módulos fotovoltaicos monocristalinos convencionais e do tipo PERC exigem tecnologias avançadas, o que resulta em painéis de custo mais elevado em comparação às outras opções disponíveis no mercado, como os de silício policristalino e filmes finos. Vamos aprender sobre eles a seguir. 

Módulos fotovoltaicos de silício policristalino

O processo de fabricação do silício policristalino foi desenvolvido em meados da década de 1980. Esse tipo de módulo é mais fácil de produzir, porém apresenta uma eficiência inferior em relação aos monocristalinos. 

Essa técnica envolve o derretimento do silício, que posteriormente é moldado e cortado em folhas no formato quadrado. A matéria-prima é fundida em um único bloco, promovendo a formação de múltiplos cristais de silício. Por conta disso, essa técnica também é chamada de poli-silício e silício multicristalino. 

Os módulos policristalinos diferenciam-se dos monocristalinos pelas suas bordas retangulares, que são resultado do método de corte utilizado. As células fotovoltaicas são encapsuladas durante o processo de montagem do painel, o que faz com que a luz que atinge a superfície dos painéis seja filtrada pelo vidro e pelo material encapsulante. 

Por conta disso, sua eficiência é reduzida, entre 14 e 20%. Isso se deve também à menor pureza do poli-silício. Como consequência, um sistema formado por módulos policristalinos demanda uma área maior para gerar a mesma quantidade de energia que os compostos por painéis monocristalinos.

Na contramão da produção de silício monocristalino, essa técnica possibilita um maior aproveitamento da matéria-prima, o que é uma vantagem. Além disso, os painéis policristalinos também são geralmente mais baratos, representando uma opção financeiramente mais viável para quem deseja investir em energia solar mas possui um orçamento limitado. 

Módulos fotovoltaicos de filme fino

Além dos módulos monocristalinos e policristalinos, há também os de filme fino, que também podem ser chamados de células fotovoltaicas de película fina (TFPV). São desenvolvidos com várias camadas finas de material fotovoltaico, acomodadas sobre um substrato. 

Há diferentes tipos de painéis de filme fino, em função dos diversos materiais que podem ser explorados, como:

• Silício amorfo (a-Si)
• Telureto de cádmio (CdTe)
• Cobre, índio e gálio seleneto (CIS / CIGS)
• Células solares fotovoltaicas orgânicas (OPV)

Como também há diversas tecnologias utilizadas para produzir esse tipo de módulo, é possível chegar a diferentes taxas de eficiência, que podem variar entre  7 e 13%. Os números são baixos, mas algumas técnicas estão evoluindo rapidamente e já conseguem alcançar os 16%, o equivalente aos painéis policristalinos. 

Os módulos fotovoltaicos de filme fino são, em geral, menos utilizados para sistemas de microgeração, ou seja, instalações menores, comumente realizadas em residências, empresas e propriedades rurais. Isso se deve ao seu custo, que ainda é considerado elevado. No entanto, como o processo para produzi-los é simples, esse cenário pode mudar nos próximos anos. 

Um dos seus principais diferenciais é a possibilidade de serem fabricados em filmes flexíveis. Por conta disso, são uma opção recomendada principalmente para projetos que requerem pouco peso e flexibilidade, como no caso de fachadas, janelas, vidros, paredes e até mesmo peças de roupas.

A energia solar está constantemente nos surpreendendo e, com os grandes investimentos do setor, tudo indica que os próximos anos serão revolucionários para esse modo de produção de energia. 

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