Composição física e fabricação dos dispositivos fotovoltaicos

Para entendermos melhor sobre a composição e fabricação dos dispositivos primeiramente será apresentado o funcionamento físico para geração de corrente elétrica, o efeito fotovoltaico, logo em seguida como são fabricados e por último os tipos de materiais que compõe a célula.

Efeito fotovoltaico

Os painéis ou placas solares são compostos de módulos fotovoltaicos que por sua vez são compostos de células solares de silício. Essas células são semicondutoras de eletricidade pois herdam as mesmas características do silício é um material com características intermediarias entre um condutor e um isolante.

O silício se apresenta comumente em forma de areia e necessita ser purificado e cristalizado para poder ser utilizado como insumo das células fotovoltaicas. Nessa forma o Silício não apresenta elétrons livres e, portanto, é considerado um mau condutor elétrico. Para melhorar as suas propriedades de condução elétrica é necessário acrescentar percentagens de outros elementos por meio do processo denominado de dopagem. Mediante a dopagem do silício com o fósforo obtém-se um material com elétrons livres ou material com portadores de carga negativa (silício tipo N). Realizando o mesmo processo com o silício puro e boro obtém-se um material com características inversas, ou seja, déficit de elétrons ou material com cargas positivas livres (silício tipo P).

Cada célula solar compõe-se de uma camada fina de material tipo N e outra com maior espessura de material tipo P. Separadamente, ambas as capas são eletricamente neutras. Mas ao serem unidas, exatamente na união P-N, gera-se um campo elétrico entre as camadas resultante da atração dos elétrons livres do silício tipo N pelos os vazios da estrutura do silício tipo P. Ao incidir a luz sobre a célula fotovoltaica, os fótons contidos em seus raios, chocam-se com os elétrons da estrutura do silício lhes transferindo energia suficiente para a troca de camada que fluem da camada “P” para a camada “N”.

Por meio de um condutor externo, conecta-se a camada negativa à positiva de forma a gerar um fluxo de elétrons (corrente elétrica) na conexão de retorno P para N. Enquanto a luz continuar a incidir na célula, o fluxo de elétrons continuará a gerar corrente e sua intensidade variará proporcionalmente a intensidade da luz incidente.

Cada módulo fotovoltaico é formado por uma determinada quantidade de células conectadas em série onde os elétrons fluem através dos condutores de uma célula para a outra. Este fluxo repete-se até chegar à última célula do módulo, da qual fluem para o acumulador ou a bateria. Cada elétron que abandona o módulo é substituído por outro que regressa do acumulador ou da bateria. Este fluxo é considerado inesgotável por produzir eletricidade em resposta aos fótons contidos na luz.

Fabricação dos módulos fotovoltaicos

O módulo fotovoltaico é composto por células individuais conectadas em série. Este tipo de conexão permite adicionar tensões. A tensão nominal do módulo será igual ao produto do número de células que o compõem pela tensão de cada célula (aprox. 0,5 Volt). Geralmente produzem-se módulos formados por 30, 32, 33 e 36 células em série, conforme a aplicação requerida.

Procura-se dar ao módulo rigidez na sua estrutura, isolamento elétrico e resistência aos fatores climáticos. Por isso, as células conectadas em série são encapsuladas num plástico elástico (Etilvinilacetato-EVA) que faz também o papel de isolante elétrico, um vidro temperado com baixo conteúdo de ferro, na face voltada para o sol, e uma lamina plástica multicamada (Poliéster) na face posterior. Em alguns casos o vidro é substituído por uma lâmina de material plástico transparente.

Tipos de células:

Existem basicamente três tipos de células, conforme o método de fabricação:

Silício monocristalino: Estas células são obtidas a partir de barras cilíndricas de silício monocristalino produzidas em fornos especiais. As células são obtidas por corte das barras em forma de pastilhas finas (0,4-0,5 mm de espessura). A sua eficiência na conversão de luz solar em eletricidade é superior a 12%.

Silício policristalino: Estas células são produzidas a partir de blocos de silício obtidos por fusão de silício puro em moldes especiais. Uma vez nos moldes, o silício arrefece lentamente e solidifica-se. Neste processo, os átomos não se organizam num único cristal. Forma-se uma estrutura policristalina com superfícies de separação entre os cristais. Sua eficiência na conversão de luz solar em eletricidade é ligeiramente menor do que nas de silício monocristalino.

Filme Fino ou Silício amorfo: Estas células são obtidas por meio da deposição de camadas muito finas de silício ou outros materiais semicondutores sobre superfícies de vidro ou metal. Sua eficiência na conversão de luz solar em eletricidade varia entre 5% e 7%.

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