As células fotovoltaicas são utilizadas em conjunto (36, 60 ou 72 células ligadas em série) para formar os módulos fotovoltaicos. A energia gerada pelos módulos fotovoltaicos é chamadaenergia solar fotovoltaica.
O efeito fotovoltaico foi primeiro demonstrado experimentalmente pelo físico francêsAlexandre Edmond Becquerel. Em 1839, aos 19 anos, experimentando no laboratório de seu pai, ele construiu a primeira célula fotovoltaica do mundo.Willoughby Smith descreveu pela primeira vez o "Efeito da Luz em selênio durante a passagem de uma corrente elétrica", em umartigo científico que foi publicado no dia 20 de fevereiro de 1873 da revistaNature. Contudo, só em 1883 foram construídas as primeiras células fotovoltaicas, porCharles Fritts, que cobriu oselêniosemicondutor com uma camada extremamente fina deouro de modo a formar junções. O dispositivo teve apenas cerca de 1% de eficiência.
Atualmente, as células fotovoltaicas apresentam eficiência de conversão da ordem de 16%. Existem células fotovoltaicas com eficiências de até 28%, fabricadas dearseneto de gálio, mas o seu altocusto limita a produção dessas células solares para o uso daindústria espacial. Adensidade média do fluxo energético proveniente daradiação solar é de 1 367W/m2, no entanto ao chegar na superfície terrestre, esse valor cai para uma média de 342 W/m2 que é correspondente a 1/4 daconstante solar, fenômeno este denominadoinsolação terrestre.
Um conceito fotovoltaico alternativo pode gerar até 50 watts de energia por metro quadrado em condições ideais à noite, cerca de um quarto do que um painel solar convencional pode gerar durante o dia.[1] O processo é semelhante ao modo como uma célula solar normal funciona, mas ao contrário. Um objeto que é quente em comparação com o ambiente ao redor irradia calor como luz infravermelha. Uma célula solar convencional é fria em comparação com o sol, portanto absorve luz.[2]
As células solares quando dispostas em módulos fotovoltaicos não produzem nenhum tipo de resíduo prejudicial aomeio ambiente, portanto, é considerada uma forma de produção de energia ecologicamente correta. Porém, há considerações a se fazer, pois no processo de fabricação das células solares há um dano considerável ao meio ambiente devido ao tipo de energia empregada na fábricas. Entretanto, as emissões de resíduos na fabricação dos módulos é compensada em pouco tempo, sendo assim, os módulos são boas fontes de energia para o meio ambiente se comparadas com outros tipos de fontesgeradoras de energia, comousinas hidrelétricas,termoelétricas, etc.[3]
A primeira geração de células fotovoltaicas é constituída pelas células desilício cristalino. As células consistem de uma lâmina de silício na qual é formada umajunção PNdiodo de junção, capaz de gerarenergia elétrica utilizável a partir de fontes de luz com oscomprimentos de onda daluz solar. A primeira geração de células constitui atecnologia dominante em termos de produção comercial, representando mais de 80% do mercado mundial.
A segunda geração de materiais fotovoltaicos está baseada no uso de filmes finos desemicondutores. A vantagem de utilizar estes filmes é a de reduzir a quantidade de materiais necessárias para as produzir, bem como de custos. Existem diferentes tecnologias e materiais semicondutores em investigação ou em produção de massa, como o silício amorfo, silício policristalino ou microcristalino,telureto de cádmio ecélula solar CIGS. Tipicamente, as eficiências das células solares de filme fino são baixas quando comparadas com as células tradicionais de silício cristalino, mas os custos demanufatura são também mais baixos, pelo que se pode atingir um preço de instalação mais reduzido porwatt. Outra vantagem da reduzida massa é o menor suporte necessário quando se colocam os painéis nos telhados e permite arrumá-los e dispô-los em materiais flexíveis, como os têxteis,plásticos ou integração direta nos edifícios.
A terceira geração fotovoltaica é muito diferente das duas anteriores, definida por utilizar semicondutores que dependam da junção p-n para separar partículas carregadas por fotogestão. Estes novos dispositivos incluem células fotoeletroquímicas e células de nanocristais.
Abaixo seguem as principais tecnologias de fabricação de células fotoelétricas utilizadas atualmente.
Silício cristalino (c-Si) - É a tecnologia mais empregada no mercado atualmente, com uma participação de 95% do mercado de células fotoelétricas. Atualmente apresenta um rendimento de 15 a 21% em suas células;painéis solares feitos de células de silício cristalino tem rendimento de 13 a 17%;
Silício amorfo (a-Si) - Participação de cerca de 3,7% do mercado de células fotoelétricas, tem rendimento de cerca de 7%;
CIGS Nome comercial para células defilme fino fabricadas com Cu(In,Ga)Se2. Participação de 0,2% do mercado de células fotoelétricas e rendimento de 13%. Atualmente sofre problemas com o abastecimento deíndio para sua produção, visto que 75% de todo o consumo do material no mundo se dá na fabricação de monitores de tela plana, comoLCDs emonitores de plasma;
Arsenieto de gálio (GaAs) - Atualmente é a tecnologia mais eficiente empregada em células solares, com rendimento de 28%. Porém, seu custo de fabricação é extremamente alto, tornando-se proibitivo para produção comercial, sendo usado apenas em painéis solares desatélites artificiais (satélites de energia solar);
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