Célula Fotovoltaica: Tudo que Você Precisa Saber

Caio Moraes | 5 de maio de 2020 | Sistemas Fotovoltaicos, Tecnologias | Nenhum comentário

Diante da necessidade de diversificação da matriz energética e de políticas ambientais cada vez mais restritivas, as pesquisas nas últimas décadas têm focado muito no desenvolvimento de fontes alternativas de energia menos poluentes, renováveis e que produzam menor impacto ambiental [1].

Dentre as principais fontes alternativas de energia, a solar pode ser vista, de acordo com a nossa escala de tempo e com os níveis atuais de consumo, como uma fonte inesgotável de energia.

Para se ter uma noção, mesmo com os fenômenos de reflexão e absorção dos raios solares pela atmosfera, estima-se que a energia solar incidente na superfície terrestre seja da ordem de dez mil vezes maior do que o consumo energético mundial [2]. Em razão disso, a geração de energia elétrica através de células fotovoltaicas (FV) vem ganhando grande destaque em âmbito mundial, tanto nas pesquisas como em incentivos governamentais.

Nesse contexto, o presente artigo tem como objetivo abordar os principais aspectos relacionados à tecnologia fotovoltaica, a fim de familiarizar o leitor com esse tema tão importante no mundo da eletrônica de potência.

Ao longo do texto, veremos como funciona uma célula fotovoltaica, quais os diferentes tipos de células, como associar esses dispositivos em série/paralelo e, por fim, como o seu desempenho é afetado por variações na temperatura e na irradiância solar.

Princípio de Funcionamento da Célula Fotovoltaica

A energia solar fotovoltaica é a energia obtida através da conversão direta da luz em eletricidade (Efeito Fotovoltaico), sendo a célula fotovoltaica a unidade fundamental desse processo de conversão [3].

De um modo geral, as células fotovoltaicas tradicionais de silício são constituídas de semicondutores dopados positiva e negativamente, formando as conhecidas junções P-N. Essas junções, conforme ilustrado na Figura 1, são separadas por uma região de depleção que surge devido à recombinação de elétrons e lacunas.

O resultado é que o acúmulo de cargas positivas na camada do tipo ‘N’ e de cargas negativas na camada do tipo ‘P’ dá origem a um campo elétrico e, consequentemente, a uma diferença de potencial (V_PN). É importante mencionar que essa tensão consiste numa verdadeira barreira impedindo a circulação de elétrons entre os dois materiais.

Figura 1. Junção P-N típica de uma célula fotovoltaica de silício.

Uma vez em equilíbrio, só haverá deslocamento de elétrons da camada ‘N’ para a camada ‘P’ quando estes receberem energia suficiente de um meio externo. No caso das células fotovoltaicas, essa energia é proveniente dos fótons presentes na luz solar, que ao excitar os elétrons faz com que estes passem da camada de valência para a camada de condução.

Assim, por meio de um circuito externo, conectando a camada negativa à positiva, surge um fluxo de elétrons (corrente elétrica) que manter-se-á enquanto a luz incidir na célula. A Figura 2 ilustra esse fenômeno de forma simplificada. Evidentemente, a taxa de elétrons gerada dependerá da quantidade de luz incidente e da capacidade de absorção do material semicondutor [4].

Figura 2. Princípio básico de uma célula fotovoltaica.

Estrutura de uma Célula Fotovoltaica Típica de Silício

Atualmente, a maior parte das células comerciais medem entre 100 cm² e 200 cm², sendo capazes de gerar aproximadamente 0,6 V de tensão para uma potência entre 1 W e 3 W [5]. A Figura 3 mostra a composição interna de uma célula fotovoltaica típica, a partir da qual podemos definir as seguintes subdivisões [6]:

Contato frontal em cobre (terminal negativo);
Película antirreflexo para redução da reflexão da radiação incidente;
Silício tipo N dopado com fósforo, com espessura de aproximadamente 300 nm constituindo a região negativa da célula;
Silício tipo P dopado com boro, com espessura de aproximadamente 250 mm constituindo a região positiva da célula;
Contato metálico inferior (terminal positivo).

Figura 3. Detalhamento interno de uma célula fotovoltaica.

Corte transversal de uma célula fotovoltaica padrão — Fonte: Adaptado de [5].

Principais Tipos de Células Fotovoltaicas

Células de silício cristalino
Célula de silício monocristalino (m-Si)
Célula de silício policristalino (p-Si)
Célula fotovoltaica de filme fino (ex: a-Si)
Célula fotovoltaica de heterojunção (HJT)
Célula solar de silício amorfo (a-Si)
Célula fotovoltaica de seleneto de cobre índio e gálio (CIGS)
Célula fotovoltaica de telureto de cádmio (CdTe)
Célula solar de arseneto de gálio (GaAs)
Célula fotovoltaica orgânica (OPV)

Com base na Figura 4, podemos separar as células fotovoltaicas produzidas atualmente em três classes: células baseadas em silício, células constituídas de compostos químicos e células elaboradas de outros materiais. Estas ainda podem ser distinguidas em primeira, segunda e terceira geração [5], [7].

Figura 4. Principais tecnologias de células fotovoltaicas existentes atualmente.

Classificação das células fotovoltaicas quanto a tecnologia e geração. — Fonte: Adaptado de [5] e [7].

Primeira Geração

A primeira geração de células fotovoltaicas é constituída pelas células oriundas do silício na forma monocristalina (com eficiência comercial entre 15% e 22%) e policristalina (com eficiência entre 14% e 20%) [8].

Além de ser a que possui maior representatividade no mercado mundial (cerca de 84%), a primeira geração é também a que apresenta as maiores eficiências de conversão, ficando atrás apenas das células de multijunção. Ademais, as tecnologias de silício cristalino possuem os menores preços do mercado, o que justifica a sua popularidade [7].

Para entendermos as diferenças construtivas entre as células de m-Si e aquelas de p-Si, a Figura 5 traz uma comparação ilustrativa. Vale destacar que as células policristalinas são as mais empregadas hoje em dia, principalmente pelo baixo custo de produção e pela eficiência comparável a das células monocristalinas.

Figura 5. Comparação entre células de p-Si e m-Si e sua disposição em módulos fotovoltaicos.

Comparação entre a célula fotovoltaica de silício monocristalino e a de silício policristalino. — Fonte: [7]

Segunda Geração

A segunda geração de células FV se baseia nas tecnologias de filmes finos, podendo ser construídas com silício amorfo (a-Si), arsenieto de gálio (GaAs), disseleneto de cobre-índio e cobre-índio-gálio (CIS e CIGS) e telureto de cádmio (CdTe).

O processo de fabricação desse tipo de célula é muito diferente do silício cristalino, consistindo basicamente na deposição de uma ou mais camadas de filme fotossensível em superfícies rígidas ou flexíveis, como vidro, plástico, cerâmica ou metal [7].

Em termos percentuais, a eficiência das células fotovoltaicas de silício amorfo encontra-se na faixa de 6% a 9%. Já a das células de CdTe opera normalmente na faixa de 9% a 16%, sendo a maior dentre os dispositivos baseados em filmes finos [8].

Comparativamente, os melhores módulos de silício cristalino comercializados no Brasil apresentam uma eficiência 15% maior do que os melhores módulos de filmes finos, segundo dados do Inmetro [9]. Este fato, aliado à imaturidade da tecnologia e à redução no preço dos módulos de silício cristalino, é a principal causa de ainda não observarmos um crescimento percentual significativo dos filmes finos no mercado.

Apesar disso, essa tecnologia tem como grande vantagem o fato de não ficarem restritas aos formatos das células de silício cristalino, o que possibilita a sua utilização em superfícies amplas e até flexíveis (ver Figura 6), estendendo assim o leque de aplicações em projetos arquitetônicos e em equipamentos portáteis, como smartphones, calculadoras, relógios, entre outros [1].

Figura 6. Módulos fotovoltaicos de filmes finos flexíveis.

Terceira Geração

A terceira geração de células contempla as tecnologias mais recentes, incluindo células fotovoltaicas do tipo multijunção e células fotovoltaicas para concentração, células sensibilizadas por corantes (DSSC – Dye-Sensitized Solar Cells) e células orgânicas ou híbridas [7].

As células de multijunção, embora utilizem filmes finos sobrepostos, são capazes de atingir eficiências significativamente superiores às das células da segunda geração, atingindo valores de até 46% em laboratório [10]. Isso ocorre porque elas não empregam apenas um, mas dois (2J), três (3J) ou quatro (4J) semicondutores com gaps de energia diferentes, permitindo assim que uma maior parcela do espectro solar seja absorvida [5].

Seguindo na mesma geração, as células fotovoltaicas sensibilizadas por corantes (DSSC) se baseiam em um semicondutor formado entre um fotoeletrodo, uma solução eletrolítica e um contra-eletrodo, caracterizando um sistema fotoeletroquímico. Atualmente, a eficiência desse tipo de célula pode chegar a 12,3% [10]. Embora este valor fique aquém das tecnologias de primeira geração, o custo de produção das células DSSC, devido à simplicidade, é estimado em cerca de 50% comparado às células de silício cristalino [5].

Em suma, tanto as células de primeira como de segunda gerações estão limitadas à eficiência máxima de 30% devido ao chamado limite de Shockley-Queisser. Por esse motivo, o objetivo das tecnologias que pertencem a terceira geração é superar tal limite, além de apresentar baixo custo e utilizar materiais não tóxicos e abundantes na natureza. Todavia, como ainda estão em processo de desenvolvimento e não contam com produção em larga escala, o seu custo continua sendo o mais elevado.

Diferenças entre Célula, Módulo e Arranjo Fotovoltaico

Hierarquicamente, a célula fotovoltaica é o elemento básico na construção dos geradores fotovoltaicos. Devido à limitação de potência e tensão, as células podem ser associadas em série ou paralelo, dando origem aos módulos fotovoltaicos. Estes, por sua vez, ao serem associados possibilitam a obtenção de arranjos ou painéis fotovoltaicos [5]. Para ficar mais fácil o entendimento, observe a ilustração da Figura 7.

Figura 7. Diferença entre célula, módulo e arranjo (ou painel) fotovoltaico.

Associação em Série de Células e Módulos Fotovoltaicos

Na conexão em série, o terminal positivo de um dispositivo fotovoltaico (seja uma célula ou um módulo) é conectado ao terminal negativo do próximo dispositivo, e assim por diante como ilustrado na Figura 8. Considerando dispositivos idênticos e submetidos às mesmas condições de temperatura e irradiância, podemos afirmar que ao associarmos N dispositivos fotovoltaicos em série, as tensões serão somadas enquanto a corrente elétrica não será afetada, ou seja:

$V = V_1 + V_2 + V_3 + \dots + V_N$

(1)

$I = I_1 = I_2 = I_3 = \dots = I_N$

(2)

Figura 8. Exemplo de uma ligação em série.

Associação em Paralelo de Células e Módulos Fotovoltaicos

Na associação em paralelo, os terminais positivos dos dispositivos são interligados entre si, assim como os terminais negativos (ver Figura 9). Para condições ideais de operação, o resultado dessa associação é exatamente o oposto da anterior, isto é, a tensão se mantém a mesma ao passo que as correntes se somam:

$V = V_1 = V_2 = V_3 = \dots = V_N$

(3)

$I = I_1 + I_2 + I_3 + \dots + I_N$

(4)

Figura 9. Exemplo de uma ligação em paralelo.

Características Elétricas das Células Fotovoltaicas

O modelo de uma célula fotovoltaica pode ser visto na Figura 10. O diodo D representa a junção P-N citada anteriormente, a resistência série R_S tem origem na própria resistência do material semicondutor, nos contatos metálicos e na junção metal-semicondutor, e a resistência paralela R_P representa as impurezas e os defeitos na estrutura [3].

Figura 10. Modelo elétrico de uma célula fotovoltaica

Fazendo uma simples análise nodal do circuito, determina-se:

$I = I_{pv} - I_D - I_{RP}$

(5)

A corrente I_D que passa pelo diodo é obtida pela Equação de Shockley, do diodo ideal, conforme

$I_D =I_0 \cdot \left[\text{exp}\left(\frac{q\cdot V}{n\cdot k\cdot T} \right) - 1\right]$

(6)

Já a corrente I_RP é dada pela seguinte equação:

$I_{RP} = \frac{V + I\cdot R_S}{R_P}$

(7)

Dessa forma, obtemos a expressão característica de uma célula fotovoltaica, a qual relaciona a corrente e a tensão gerada pelo dispositivo:

$I = I_{pv}-I_0 \cdot \left[\text{exp}\left(\frac{q\cdot V}{n\cdot k\cdot T} \right) - 1\right] - \frac{V + I\cdot R_S}{R_P}$

(8)

onde:

I_pv – corrente fotogerada (A);

I₀ – corrente de saturação reversa do diodo (A);

n – fator de idealidade do diodo;

q – carga do elétron (1,6×10^-19C);

k – constante de Boltzman (1,38×10^-23J/K);

T – temperatura absoluta (K).

Os parâmetros I_PV e I₀ são dependentes de diversos fatores das células, além de condições climáticas como temperatura e irradiância solar. Os cálculos para obtenção desses parâmetros tornam a análise mais complexa. No entanto, eles são encontrados em diversos textos na literatura e, por isso, não serão apresentados aqui. Em [5], uma modelagem mais detalhada da célula fotovoltaica pode ser consultada.

O primeiro gráfico da Figura 11 mostra a curva I-V característica para um módulo fotovoltaico de silício, gerada a partir da expressão deduzida acima. Vale ressaltar que um módulo fotovoltaico nada mais é que uma associação de várias células em série e/ou em paralelo.

Figura 11. Curva I-V e Curva P-V características de um módulo fotovoltaico.

As condições padrão de teste (STC – Standard Test Conditions) para se obter a curva característica é definida para irradiância de 1000 W/m² e temperatura de 25 ⁰C. A partir dessa curva, alguns parâmetros elétricos podem ser observados [3]:

**Tensão de circuito aberto (V_OC):**

É a tensão medida nos terminais do módulo fotovoltaico quando não há circulação de corrente e corresponde à máxima tensão que o módulo pode produzir. V_OC depende da corrente de saturação, I₀, da corrente fotogerada, I_pv, e da temperatura. A tensão de circuito aberto pode ser calculada pela expressão (9), a qual foi derivada de (8).

$V_{OC} = \frac{k\cdot T}{q}\cdot \text{ln}\left(\frac{I_{pv}}{I_0} + 1\right)$

(9)

**Corrente de curto-circuito (I_SC):**

É a corrente medida quando a tensão nos terminais da célula/módulo é nula e representa a máxima corrente que se pode obter. Pode ser medida com um amperímetro curto-circuitando os terminais do dispositivo fotovoltaico.

Ponto de máxima potência (MPP):

Corresponde ao ponto de operação em que a célula/módulo gera a máxima potência possível.

Tensão de máxima potência (V_MPP):

É a tensão medida nos terminais da célula/módulo quando este opera no ponto de máxima potência.

Corrente de máxima potência (I_MPP):

Corrente fornecida pela célula/módulo para a condição de máxima potência.

Fator de Forma (FF):

É a razão entre a máxima potência e o produto da tensão de circuito aberto com a corrente de curto circuito, conforme (10). Quanto mais esse fator se aproximar de 1 (FF < 1), mais eficiente será o dispositivo pois o FF está relacionado à eficiência da célula segundo a equação (11).

$FF = \frac{V_{MPP}\cdot I_{MPP}}{V_{OC}\cdot I_{SC}}$

(10)

Eficiência ( $\eta$ ):

Representa a relação entre a potência elétrica gerada pela célula/módulo e a potência da energia solar incidente. Essa relação mostra quão efetiva é a conversão de energia solar em energia elétrica e pode ser expressa como segue:

$\eta = \frac{P_{MPP}}{A\cdot G}\cdot 100\% = \frac{FF\cdot I_{SC}\cdot V_{OC}}{A\cdot G}\cdot 100\%$

(11)

onde P_MPP (W) é a máxima potência gerada, A (m²) é a área do módulo e G (W/m²) é a irradiância solar incidente.

Com base nos dados da curva I-V, podemos determinar a curva da potência gerada em função da tensão, conhecida como curva P-V. O segundo gráfico da Figura 11 mostra o aspecto dessa curva, destacando o ponto de máxima potência, que corresponde ao ponto onde a derivada da potência em relação à tensão é nula.

Influência de Fatores Externos

Outro aspecto importante de se considerar é a influência de fatores externos, como a temperatura e a irradiância solar, sobre os parâmetros elétricos das células. Como todo material semicondutor, as células fotovoltaicas são muito sensíveis à temperatura.

Observe na Figura 12(a) que, para uma irradiância constante, a tensão de circuito aberto diminui significativamente com o aumento da temperatura, enquanto a corrente de curto-circuito sofre uma elevação praticamente desprezível.

Já na Figura 12(b), note como a irradiância solar afeta a curva I-V, considerando que a temperatura é mantida fixa num valor de operação. A corrente gerada pela célula FV aumenta linearmente com o aumento da irradiância solar, à medida que a tensão de circuito aberto aumenta de forma logarítmica, segundo a expressão (9) [3].

Diante disso, podemos concluir que a variação de temperatura afeta principalmente a tensão, ao passo que a variação de irradiância compromete mais a corrente elétrica.

Figura 12. Influência de fatores externos na operação do módulo fotovoltaico: (a) variação da temperatura e (b) variação da irradiância.

Conclusão

Este artigo destinou-se ao estudo da tecnologia fotovoltaica, abordando o princípio de funcionamento das células FV, os principais tipos de células existentes no mercado atualmente e as características elétricas desses dispositivos.

Ao final do texto ficou claro que os módulos fotovoltaicos possuem uma característica de saída não linear, além de apresentarem rendimentos comerciais não expressivos, na ordem de 16%. Por esse motivo, torna-se necessário a aplicação de técnicas para rastreamento do ponto de máxima potência (MPPT) a fim de melhorar o desempenho do módulo para cada condição de operação.

No próximo artigo sobre sistemas fotovoltaicos irei abordar as principais técnicas utilizadas para o rastreamento do ponto de máxima potência. Espero você lá.

Se ficou com alguma dúvida ou tem alguma sugestão/cítica a fazer, fique a vontade para deixar seu comentário.

Referências

[1] M. A. G. de Brito. “Inversores Integrados Monofásicos e Trifásicos para Aplicações Fotovoltaicas: Técnicas para obtenção de MPPT, detecção e proteção de ilhamento, sincronização e paralelismo com a rede de distribuição de energia elétrica”. (Tese de Doutorado), Universidade Estadual Paulista – UNESP, Ilha Solteira, 2013.

[2] CRESESB – “Energia Solar Fotovoltaica”. [online]. Disponível em: <http://www.cresesb.cepel.br/index.phpsection=com_content&lang=pt&cid=301>. Acesso em: 28 de abril de 2020.

[3] J. T. Pinho e M. A. Galdinho. “Manual de Engenharia para Sistemas Fotovoltaicos”. CEPEL – CRESESB, Rio de Janeiro, março de 2014.

[4] P. Hersch e K. Zweibel. “Basic photovoltaic principles and methods”. Golden, CO: Technical Information Office Solare Energy Research Institute, 1982.

[5] R. F. Coelho. Estudo dos Conversores Buck e Boost Aplicados ao Rastreamento de Máxima Potência de Sistemas Solares Fotovoltaicos. (Dissertação de Mestrado), Universidade Federal de Santa Catarina – UFSC, Florianópolis, 2008.

[6] A. L. Stankiewicz. Estudo Comparativo de Técnicas de Rastreamento de Máxima Potência para Geração de Energia Solar Fotovoltaica. (Dissertação de Mestrado), Universidade Regional de Blumenau, 2013.

[7] A. J. Bühler, F. H. dos Santos, e I. J. Gabe. “Uma Revisão sobre as Tecnologias Fotovoltaicas Atuais“, VII Congresso Brasileiro de Energia Solar –Gramado, abril de 2018.

[8] Portal Solar. “Tipos de Painel Solar Fotovoltaico”. [online]. Disponível em: <https://www.portalsolar.com.br/tipos-de-painelsolarfotovoltaico.html>. Acesso em: 29 de abril de 2020.

[9] Inmetro. “Tabela de consumo/eficiência energética de componentes fotovoltaicos”. Disponível em <http://www.inmetro.gov.br/consumidor/pbe/sistema-fotovoltaico.asp>. Acesso em: 27 de abr. de 2020.

[10] F. Alta and E. S. Asu, “National Renewable Energy Labs (NREL) efficiency chart”. [online]. Disponível em: <http://www.nrel.gov/pv/cellefficiency.html>. Acesso em: 1 de maio de 2020.

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Caio Moraes

Atualmente é doutorando em Engenharia Elétrica com ênfase em Eletrônica de Potência na Universidade Federal de Santa Catarina (UFSC). Possui mestrado e graduação em Engenharia Elétrica pela UFSC e pela Universidade Federal de Mato Grosso do Sul (UFMS), respectivamente. E também é formado em Eletrotécnica com enfase em Controle e Processos Industriais, pela Escola Técnica Estadual (ETEC) de Ilha Solteira. Tem experiência e interesse nas áreas de eletrônica de potência, sistemas de controle e sistemas embarcados, mais especificamente nos temas de modelagem dinâmica de conversores estáticos, inversores conectados à rede, gerenciamento de energia em microrredes CC, veículos elétricos e controle digital aplicado a conversores estáticos.