Célula solar

Fundo

Células solares fotovoltaicas são discos finos de silício que convertem a luz solar em electricidade. Estes discos actuam como fontes de energia para uma grande variedade de utilizações, incluindo: calculadoras e outros pequenos dispositivos; telecomunicações; painéis de telhado em casas individuais; e para iluminação, bombagem, e refrigeração médica para aldeias em países em desenvolvimento. As células solares sob a forma de grandes matrizes são utilizadas para alimentar satélites e, em casos raros, para fornecer electricidade a centrais eléctricas.

Quando a investigação sobre electricidade começou e estavam a ser feitas e estudadas baterias simples, a investigação sobre electricidade solar seguiu-se de forma espantosamente rápida. Já em 1839, Antoine-Cesar Becquerel expôs uma bateria química ao sol para a ver produzir voltagem. Esta primeira conversão da luz solar em electricidade foi um por cento eficiente. Ou seja, um por cento da luz solar recebida foi convertida em electricidade. Willoughby Smith em 1873 descobriu que o selénio era sensível à luz; em 1877 Adams and Day notou que o selénio, quando exposto à luz, produzia uma corrente eléctrica. Charles Fritts, na década de 1880, também usou selénio revestido a ouro para tornar a primeira célula solar, mais uma vez apenas um por cento eficiente. No entanto, Fritts considerou as suas células como revolucionárias. Previa que a energia solar livre fosse um meio de descentralização, prevendo que as células solares substituiriam as centrais eléctricas por residências alimentadas individualmente.

Com a explicação de Albert Einstein em 1905 sobre o efeito fotoeléctrico – o metal absorve energia da luz e irá reter essa energia até que demasiada luz a atinja – a electricidade solar com eficiências mais elevadas tornar-se-ia viável. No entanto, pouco progresso foi feito até que a investigação sobre díodos e transístores produzisse os conhecimentos necessários para os cientistas Bell Gordon Pearson, Darryl Chapin, e Cal Fuller produzirem uma célula solar de silício com quatro por cento de eficiência em 1954.

Mais trabalho trouxe a eficiência da célula até 15 por cento. As células solares foram utilizadas pela primeira vez na cidade rural e isolada de Americus, Geórgia, como fonte de energia para um sistema de retransmissão telefónica, onde foi utilizada com sucesso durante muitos anos.

Ainda não foi desenvolvido um tipo de célula solar para satisfazer plenamente as necessidades energéticas domésticas, mas as células solares tornaram-se bem sucedidas no fornecimento de energia para satélites artificiais. Os sistemas de combustível e baterias regulares eram demasiado pesados num programa em que cada onça importava. As células solares fornecem mais energia por onça de peso do que todas as outras fontes de energia convencionais, e são rentáveis.

Apenas alguns sistemas de energia fotovoltaica de grande escala foram criados. A maioria dos esforços inclina-se para fornecer tecnologia de células solares a locais remotos que não têm outros meios de energia sofisticados. Cerca de 50 megawatts são instalados todos os anos, no entanto, as células solares fornecem apenas cerca de 50 megawatts. 1% de toda a electricidade que está a ser produzida actualmente. Os apoiantes da energia solar afirmam que a quantidade de radiação solar que chega à superfície da Terra todos os anos poderia facilmente fornecer todas as nossas necessidades energéticas várias vezes, mas as células solares têm um longo caminho a percorrer antes de realizarem o sonho de Charles Fritts de electricidade solar gratuita e totalmente acessível.

Matérias-primas

O componente básico de uma célula solar é silício puro, que não é puro no seu estado natural.

Para fazer células solares, as matérias-primas – dióxido de silício de cascalho quartzito ou quartzo triturado – são primeiro colocadas num forno de arco eléctrico, onde é aplicado um arco de carbono para libertar o oxigénio. Os produtos são dióxido de carbono e silício derretido. Neste ponto, o silício ainda não é suficientemente puro para ser utilizado para células solitárias e requer uma maior purificação.

O silício puro deriva de dióxidos de silício tais como cascalho de quartzito (a sílica mais pura) ou quartzo triturado. O silício puro resultante é então dopado (tratado com) com fósforo e boro para produzir um excesso de electrões e uma deficiência de electrões, respectivamente, para tornar um semicondutor capaz de conduzir electricidade. Os discos de silício são brilhantes e requerem um revestimento anti-reflexo, geralmente dióxido de titânio.

O módulo solar consiste no semicondutor de silício rodeado por material de protecção numa estrutura metálica. O material protector consiste num encapsulante de borracha de silicone transparente ou plástico butirilo (normalmente utilizado em pára-brisas de automóveis) colado à volta das células, que são depois incorporadas em acetato de vinilo de etileno. Uma película de poliéster (como mylar ou tedlar) compõe o suporte. Uma cobertura de vidro é encontrada em matrizes terrestres, uma cobertura plástica leve em matrizes de satélite. As partes electrónicas são de série e consistem principalmente em cobre. A estrutura ou é de aço ou alumínio. O silício é utilizado como cimento para a montagem de tudo.

O Processo de fabrico

Purificação do silício

• 1 O dióxido de silício de cascalho quartzito ou quartzo triturado é colocado num forno de arco eléctrico. Um arco de carbono é então aplicado para libertar o oxigénio. Os produtos são dióxido de carbono e silício derretido. Este processo simples produz silício com 1% de impureza, útil em muitas indústrias, mas não na indústria de células solares.
• 2 O silício 99 por cento puro é purificado ainda mais utilizando a técnica da zona flutuante. Uma barra de silício impuro é passada várias vezes na mesma direcção através de uma zona aquecida. Este procedimento “arrasta” as impurezas para uma extremidade com cada passagem. Num ponto específico, o silício é considerado puro, e a extremidade impura é removida.

Produção de silício monocristalino

• 3 Células solares são fabricadas a partir de boules de silício, estruturas policristalinas que têm a estrutura atómica de um único cristal. O processo mais comummente utilizado para a criação do boule é chamado método Czochralski. Neste processo, um cristal de semente de silício é mergulhado em silício policristalino derretido. medida que o cristal de semente é retirado e rodado, forma-se um lingote cilíndrico ou “boule” de silício. O lingote retirado é invulgarmente puro, porque as impurezas tendem a permanecer no líquido.

Fazer pastilhas de silício

• 4 Do lingote, as pastilhas de silício são cortadas uma de cada vez utilizando uma serra circular cujo diâmetro interior corta a haste, ou muitas de uma só vez com uma serra multi-fio. (Uma serra de diamante produz cortes que são tão largos como as pastilhas. 5 milímetros de espessura). Apenas cerca de metade do silício é perdido do boule para o wafer- circular acabado – mais se o wafer for então cortado para ser rectangular ou hexagonal. As bolachas rectangulares ou hexagonais são por vezes utilizadas em células solares porque podem ser perfeitamente encaixadas, utilizando assim todo o espaço disponível na superfície frontal da célula solar.
  

  Após a purificação inicial, o silício é ainda refinado num processo de zona flutuante. Neste processo, uma haste de silício é passada várias vezes por uma zona aquecida, que serve para ‘arrastar’ as impurezas para uma extremidade da haste. A extremidade impura pode então ser removida.
  Próximo, um cristal de silício é colocado num aparelho de crescimento Czochralski, onde é mergulhado em silício policristalino derretido. O cristal de semente gira à medida que é retirado, formando um lingote cilíndrico de silício muito puro. As bolachas são então cortadas do lingote.

• 5 As bolachas são depois polidas para remover as marcas da serra. (Verificou-se recentemente que as células mais ásperas absorvem a luz de forma mais eficaz, pelo que alguns fabricantes optaram por não polir a bolacha).

Dopagem

• 6 A forma tradicional de dopagem (adição de impurezas a) pastilhas de silício com boro e fósforo é introduzir uma pequena quantidade de boro durante o processo Czochralski no passo #3 acima. As bolachas são então seladas de trás para a frente e colocadas num forno para serem aquecidas até ligeiramente abaixo do ponto de fusão do silício (2,570 graus Fahrenheit ou 1,410 graus Celsius), na presença de gás fosforoso. Os átomos de fósforo “enterram-se” no silício, que é mais poroso porque está próximo de se tornar um líquido. A temperatura e o tempo dados ao processo são cuidadosamente controlados para assegurar uma junção uniforme de profundidade adequada.

  Uma forma mais recente de dopar o silício com fósforo é utilizar um pequeno acelerador de partículas para atirar iões de fósforo para o lingote. Ao controlar a velocidade dos iões, é possível controlar a sua profundidade de penetração. Este novo processo, contudo, não tem sido geralmente aceite pelos fabricantes comerciais.

Colocação de contactos eléctricos

• 7 Contactos eléctricos ligam cada célula solar a outra e ao receptor da corrente produzida. Os contactos devem ser muito finos (pelo menos na frente) de modo a não bloquear a luz solar para a célula. Metais como paládio/prata, níquel ou cobre são evaporados por vácuo
  

  Esta ilustração mostra a maquilhagem de uma célula solar típica. As células são encapsuladas em acetato de etileno vinil e colocadas numa moldura metálica que tem uma contracapa em mylar e uma cobertura de vidro.

  através de um fotossensível, serigrafado, ou simplesmente depositado na porção exposta das células que foram parcialmente cobertas com cera. Os três métodos envolvem um sistema em que a parte da célula sobre a qual não é desejado um contacto é protegida, enquanto o resto da célula é exposta ao metal.

• 8 Depois dos contactos estarem no lugar, tiras finas (“dedos”) são colocadas entre as células. As tiras mais frequentemente utilizadas são de cobre revestido de estanho.

O revestimento anti-reflexo

• 9 Como o silício puro é brilhante, pode reflectir até 35 por cento da luz solar. Para reduzir a quantidade de luz solar perdida, é colocado um revestimento anti-reflexo sobre a pastilha de silício. Os revestimentos mais frequentemente utilizados são dióxido de titânio e óxido de silício, embora sejam utilizados outros. O material utilizado para revestimento é aquecido até as suas moléculas ferverem e viajarem para o silício e condensarem, ou o material é submetido a salpicos. Neste processo, uma alta voltagem elimina as moléculas do material e deposita-as sobre o silício no eléctrodo oposto. Outro método é permitir que o próprio silício reaja com gases contendo oxigénio ou nitrogénio para formar dióxido de silício ou nitreto de silício. Os fabricantes comerciais de células solares utilizam nitreto de silício.

Encapsulando a célula

• 10 As células solares acabadas são então encapsuladas; ou seja, seladas em borracha de silício ou acetato de etileno vinilo. As células solares encapsuladas são então colocadas numa moldura de alumínio que tem uma contracapa de mylar ou tedlar e uma cobertura de vidro ou plástico.

Controlo de Qualidade

O controlo de qualidade é importante no fabrico de células solares porque a discrepância nos muitos processos e factores pode afectar negativamente a eficiência global das células. O principal objectivo da investigação é encontrar formas de melhorar a eficiência de cada célula solar ao longo de uma vida útil mais longa. O Projecto Low Cost Solar Array (iniciado pelo Departamento de Energia dos Estados Unidos no final da década de 1970) patrocinou investigação privada que visava baixar o custo das células solares. O silício em si é testado quanto à pureza, orientação dos cristais e resistividade. Os fabricantes também testam a presença de oxigénio (que afecta a sua força e resistência à urdidura) e carbono (que causa defeitos). Os discos de silício acabados são inspeccionados para detectar quaisquer danos, descamação ou flexão que possam ter ocorrido durante a serragem, o polimento e a gravura.

Durante todo o processo de fabrico dos discos de silício, a temperatura, pressão, velocidade, e quantidades de dopantes são continuamente monitorizadas. Também são tomadas medidas para assegurar que as impurezas no ar e nas superfícies de trabalho sejam mantidas a um nível mínimo.

Os semicondutores completados devem então ser submetidos a testes eléctricos para verificar se a corrente, tensão e resistência de cada um deles satisfazem as normas apropriadas. Um problema anterior com células solares era uma tendência para deixar de funcionar quando parcialmente sombreadas. Este problema foi atenuado fornecendo díodos de derivação que reduzem as tensões perigosamente elevadas para a célula. A resistência ao shunt deve então ser testada utilizando junções parcialmente sombreadas.

Um teste importante dos módulos solares envolve fornecer às células de teste condições e intensidade de luz que estas irão encontrar em condições normais e depois verificar se têm um bom desempenho. As células são também expostas ao calor e ao frio e testadas contra vibrações, torções, e granizo.

O teste final para módulos solares é o teste de campo, no qual os módulos acabados são colocados onde serão realmente utilizados. Isto fornece ao investigador os melhores dados para determinar a eficiência de uma célula solar em condições ambientais e a vida útil efectiva da célula solar, os factores mais importantes de todos.

O Futuro

Considerando o estado actual das células solares relativamente caras e ineficientes, o futuro só pode melhorar. Alguns peritos prevêem uma indústria de mil milhões de dólares até ao ano 2000. Esta previsão é apoiada por evidências de mais sistemas fotovoltaicos no telhado a serem desenvolvidos em países como o Japão, Alemanha, e Itália. Planos para iniciar o fabrico de células solares foram estabelecidos no México e na China. Do mesmo modo, o Egipto, Botswana e as Filipinas (os três assistidos por empresas americanas) estão a construir fábricas que irão fabricar células solares.

A maioria da investigação actual visa reduzir o custo das células solares ou aumentar a sua eficiência. As inovações na tecnologia das células solares incluem o desenvolvimento e fabrico de alternativas mais baratas às dispendiosas células de silício cristalino. Estas alternativas incluem janelas solares que imitam a fotossíntese, e células mais pequenas feitas de minúsculas bolas de silício amorfo. O silício amorfo e o silício policristalino já estão a ganhar popularidade à custa do silício de cristal único. Inovações adicionais, incluindo a minimização da sombra e a focalização da luz solar através de lentes prismáticas. Isto envolve camadas de diferentes materiais (nomeadamente, arsenieto de gálio e silício) que absorvem a luz a diferentes frequências, aumentando assim a quantidade de luz solar efectivamente utilizada para a produção de electricidade.

Alguns peritos prevêem a adaptação de casas híbridas; ou seja, casas que utilizam aquecedores solares de água, aquecimento solar passivo, e células solares para reduzir as necessidades energéticas. Outra visão diz respeito ao vaivém espacial que coloca cada vez mais matrizes solares em órbita, um satélite de energia solar que irradia energia para as quintas de matriz solar terrestre, e mesmo uma colónia espacial que fabricará matrizes solares para serem utilizadas na Terra.