Como Ocorre a Geração de Energia em um Painel Fotovoltaico? Entenda o Processo

Painéis solares fotovoltaicos da AE Solar.

O painel solar é um equipamento essencial para gerar energia fotovoltaica. Ele consiste em pequenas células formadas por materiais semicondutores, como o silício, dispostas em série e em paralelo. Quando os fótons (partículas da luz solar) entram em contato com as células fotovoltaicas, alguns dos elétrons que circundam os átomos se movimentam até a parte da célula que não possui elétrons. Essa movimentação cria uma corrente elétrica, gerando a energia solar fotovoltaica. Verifique a seguir as camadas que compõem a placa fotovoltaica.

O que é o efeito fotovoltaico?

O efeito fotovoltaico ocorre quando a luz é absorvida, causando a estimulação de um elétron ou outro portador de carga para um estado de maior energia. De forma mais detalhada, é a diferença de potencial que se cria no interior da célula, causada pela movimentação dos elétrons e dos átomos (matéria-prima da célula) ao se encontrarem com os fótons.

Compostas por partes igualitárias de material semicondutor, as células de silício misturadas com outros elementos modificam sua estrutura. Nesse processo, elétrons positivos e negativos são separados, gerando a falta (lacunas) dos elétrons positivos.

Quando a junção dos elétrons positivos e negativos acontece, forma-se um campo elétrico, que não permite a união dos elétrons em excesso (negativos) aos faltantes (positivos). Quando as células absorvem a luz solar, os elétrons recebem energia dos fótons e se desprendem da atração. Com o acúmulo dos elétrons na parte negativa, forma-se, junto com as lacunas, uma "teia" em uma das faces das células, que captura os elétrons livres e, assim, cria a corrente elétrica.

A geração de eletricidade em células fotovoltaicas ocorre em várias etapas, envolvendo a coleta e movimentação de portadores de carga (elétrons e lacunas) e a geração de tensão. Aqui está um resumo dessas etapas:

• Coleta dos transportadores geradores de luz: Quando a luz solar incide sobre as células solares, os fótons da luz excitam os elétrons presentes no material semicondutor do painel. Esses elétrons excitados (portadores gerados) e as lacunas resultantes (cargas positivas deixadas pelos elétrons excitados) são então liberados e movem-se através do material semicondutor.
• Geração dos portadores (elétrons e lacunas): A energia dos fótons absorvidos pela célula solar é transferida para os elétrons em sua estrutura semicondutora, permitindo que eles se movam e gerem uma corrente elétrica. Esses elétrons excitados são então coletados pelos contatos metálicos do painel, enquanto as lacunas são capturadas por outros contatos adjacentes.
• Geração de tensão através das células solares: À medida que os elétrons são coletados pelos contatos metálicos, eles são forçados a fluir através de um circuito externo, criando uma corrente elétrica. Esta corrente é induzida pela diferença de potencial elétrico entre a região do material semicondutor onde os elétrons são excitados e a região onde são coletados. Essa diferença de potencial é conhecida como tensão de circuito aberto (Voc) e é responsável pela geração de tensão nas células solares.

A geração de corrente envolve dois processos. A primeira parte é a geração de pares elétron-lacuna pelos fótons incidentes. No entanto, os elétrons e lacunas estimulados são metaestáveis e só existirão, em média, por um período igual ao tempo de vida do portador minoritário antes de se recombinarem. Se o portador se recombinar, o par elétron-lacuna gerado pela luz é perdido e nenhuma corrente ou energia pode ser gerada. O segundo processo é a separação desses portadores. Isso é feito conectando um circuito externo à célula solar. O elétron estimulado atravessa o circuito externo e a lacuna gerada atravessa a barreira da junção para se recombinar com o elétron percorrido.

Entendendo o módulo fotovoltaico

Ilustração de uma célula solar.

Um módulo fotovoltaico consiste em células solares individuais conectadas eletricamente para aumentar sua potência de saída. Ele é composto por várias células solares interconectadas e encapsuladas em um único painel/unidade. Existem muitos tipos diferentes de módulos fotovoltaicos, e a estrutura do módulo geralmente difere para diferentes tipos de células solares. Os módulos mais comuns têm 60 células ou 72 células com três diodos de bypass. Os módulos de 60 células foram originalmente projetados para facilitar o manuseio em aplicações residenciais, enquanto os módulos de 72 células, mais pesados, são para grandes instalações de serviços públicos.

As curvas características da célula solar IV

Curva I-V da célula solar.

As curvas características da célula solar IV (corrente e tensão) mostram o desempenho de uma determinada célula, módulo ou matriz fotovoltaica (PV). A energia fornecida por uma única célula ou painel solar é o produto de sua corrente de saída e tensão. Os painéis fotovoltaicos podem ser conectados em combinações em série ou paralelo, ou ambas, para aumentar a tensão ou a capacidade de corrente do painel solar, respectivamente. Quando os painéis são conectados em série, a tensão total no array aumenta. Quando os painéis são conectados em paralelo, a saída de corrente total aumenta.

A curva IV contém três pontos significativos: O Ponto de Potência Máxima (MPP), que representa o ponto de potência máxima da tensão e o ponto de potência máxima da corrente, a Tensão de Circuito Aberto e a Corrente de Curto-Circuito. A curva IV da célula solar depende da temperatura e irradiância do módulo.

Avanços tecnológicos e o futuro da energia solar

Série de painéis solares AURORA com potência nominal de 485 W a 505 W.

Os valores típicos para os parâmetros de uma célula solar de silício são os seguintes: Corrente de curto-circuito = 35 mA/cm², tensão de circuito aberto de até 0,65 V e Fator de Preenchimento (FF) na faixa de 0,75 a 0,80. A eficiência geralmente varia em torno de 15% - 20%. Todos esses parâmetros são mencionados na folha de dados fornecida pelos fabricantes.

A foto acima mostra um dos vários produtos oferecidos pela AE Solar. A série AURORA é uma gama de painéis monocristalinos disponíveis a partir de 485 W e tem uma potência máxima de 505 W com eficiência variando de 19,88% a 21,4%. Mais características e informações sobre o produto podem ser encontradas na ficha técnica.

Módulos FV AE Solar.

Hoje, os rápidos avanços tecnológicos ultrapassaram os limites em termos de produção de energia e eficiência total de células individuais, bem como nos processos de fabricação com ideias inovadoras. As células solares podem produzir uma eficiência e energia muito maiores em comparação com as células que estavam disponíveis há 20 anos. Com mais e mais pessoas optando por instalar sistemas fotovoltaicos, a indústria de tecnologia solar está crescendo rapidamente. Com os países tentando mudar para energia verde de forma ágil, o futuro da energia solar parece mais brilhante do que nunca.