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Estrutura da Célula Fotovoltaica
Ao contrário da maioria dos outros semicondutores, o dispositivo fotovoltaico não usa a extrutura normal do silício, como nos diodos, por exemplo. Ao invés disso, usa uma fina camada de óxido transparente. Estes óxidos são altamente transparentes e tem alta condutividade elétrica. Camadas anti-reflexo podem ser usadas para cobrir uma célula fotovoltaica. Os cristais policristalinos são grãos minúsculo de material semicondutor. As propriedades do filme policristalino são diferentes do silício normal. Ele provou ser melhor para criar um campo elétrico entre dois materiais semicondutores diferentes. Esse tipo de interface é chamado de heterojunção.
As células policristalinas tem uma estrutura de heterojunção na qual a camada mais externa é feita de um material semicondutor diferente da camada interna. A camada externa, normalmente tipo-n, é uma "janela" que permite que toda a luz seja absorvida pela camada tipo-p. A camada policristalina é muito fina (da ordem de 0,1 micro). Ela tem o papel de absorver apenas a energia solar de alto espectro e deve deixar passar uma grande quantidade de fotons da ordem de 2,8 eV ou mais.
Duas partes muito importantes para a célula fotovoltaica são seus contatos elétricos, pois eles são a ponte que conectam o semicondutor para a carga externa. O contato da parte de traz da célula (longe do sol) é relativamente simples e normalmente consiste de uma capa de alumínio ou metal de molibidenio. O contato dianteiro (que enfrenta o sol ) é mais complicado. Quando exposta a luz solar, a célula fotovoltaica gera corrente elétrica por toda a sua superfície. Contatos apenas em suas extremidades, portanto, não seriam adequados por causa da resistência elétrica da parte superior da célula. Deste modo, para obter contato elétrico em toda a superfície da célula usa-se uma malha de metal. Infelizmente esta malha grande na superfície da célula escurece as partes ativas da célula, reduzindo a eficiência de conversão. O solução seria então projetar essa malha de modo que seja fina, que tenha boa condução e que se espalhe por toda a superfície da célula. Essa malha deve Ter grossura suficiente para que haja um bom fluxo de corrente e deve também ser fina suficiente para não bloquear a luz incidente sobre a célula.
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A fabriçacão de tais malhas pode ter um custo elevado. Ele pode ser feita depositando-se vapores metálicos em um célula por uma máscara ou pintada por um método semelhante a serigrafia. Para melhor qualidade, a fotolitografia é o melhor método, que é a transferencia de uma fotografia como em uma impressão moderna. |
Condutores
Transparentes - uma alternativa
para os contatos da malha é um óxido transparente, como o SnO2. Estes óxidos
são quase invisíveis a luz entrante e ainda formam uma boa ponte entre o semicondutor
e o circuito externo.
Tipos de Células
Fotovoltaicas
Célula de silicone cristalino: As células solares mais vulgares são fabricadas com este tipo de material que consiste em finas bolachas de puro silicone cristalino tratado quimicamente. A espessura das bolachas comerciais está entre 200 e 400 microns, sendo coberto por uma grelha metálica em ambas as faces permitindo o contacto eléctrico.
Mono-cristalinas: são fabricadas a partir de puro cristal de silicone. Estas células são as mais eficientes de todas as células de silicone mas também são as mais caras.
Poli-cristalinas: são também fabricadas a partir de silicone puro mas estas são fabricadas a partir de lingotes de grande dimensão. O processo de fabrico consiste em arrefecer lentamente o silicone, mantido em estado líquido em fornos especiais, para permitir o crescimento de grandes cristais. As células poli-cristalinas são menos eficientes mas também são mais baratas. Existem outras técnicas em desenvolvimento tal como por exemplo a produção de células a partir do crescimento de tiras de silicone cristalino. Actualmente o rendimento das células de silicone cristalino tem valores entre 10% e 16% o que reflete o resultado de investigação que permitiu a evolução desde os 6% de 1975.
Silicone amorfo: Preve-se que a próxima geração de células solares seja baseada na técnologia conhecida por thin film . Esta técnologia consegue reduzir os custos, graças à produção em larga escala, e baseia-se no uso de películas muito finas de materiais muito caros dos quais o silicone amorfo é o mais conhecido. Estas células são menos eficientes que as células de silicone cristalino mas, no entanto, poderão vir a ser competitivos com uma produção em grande escala. As células de silicone amorfo apareceram em 1983 com valores de rendimento da ordem dos 2.5% estando hoje a implantadas no mercado com rendimentos entre 4% e 6%.
Sistemas PV isolados: são sistemas constituídos por um conjunto de paineis, um regulador de carga, uma ou mais baterias e um inversor (se existirem cargas AC). Os reguladores de carga são os responsáveis pelo controlo da carga das baterias. Por sua vez as baterias deverão ter capacidade suficiente para alimentar as cargas durante a noite ou durante dias com baixos valores de radiação.
Sistemas híbridos: consistem na combinação de sistemas PV com outras fontes de energia que asseguram a carga das baterias na ausência de sol. As fontes de energia de auxílio podem ser, Diesel, gaz ou geradores eólicos. Estes sistemas têm que estar equipados com sistemas de controlo mais eficientes que os sistemas isolados de pequena dimensão. Por exemplo, no caso dos sistemas PV/Diesel o gerador Diesel deverá passar a funcionar quando as baterias atingirem o seu nível mínimo de carga e deverá deixar de funcionar quando atingirem um nível de carga aceitável. Para um sistema PV/Diesel são utilizados menor número de paineis e menor capacidade das baterias. Isto implica que para a mesma ordem de grandeza os sistemas híbridos sejam por vezes mais baratos que os sistemas isolados apesar dos elevados custos de projeto.
Sistemas PV com ligação à rede elétrica: são constituidos por um conjunto de paineis PV e um inversor não sendo necessário o uso de baterias. Estes sistemas podem ser de pequena dimensão, para alimentação de pequenas cargas residenciais ou não residenciais, ou de média e grande dimensão constituindo centrais fotovoltaicas com potências instaladas entre as dezenas de kW pico e alguns MW pico.
A célula fotovoltaica é a unidade básica de um sistema fotvoltaico. Uma célula fotovoltaica individual produz tipicamente entre 1 e 2 watts, pouca energia para a maioria das aplicações. Podemos aumentar o poder das células conectando-as juntas, formando unidades maiores chamadas "módulos". Módulos são conectados entre sí para originarem unidades maiores, conhecidas como "ordens", que podem ser conectadas entre sí para gerar mais energia e assim por diante. Podemos deste como construir sistemas fotvoltaicos de modo a satisfazer nossa necessidade de energia.
Módulos ou ordens, por eles, não constituem um sistema fotovoltaico. Temos que Ter estruturas nais quais os por e os apontar para o sil, e componentes que levam a eletricidade produzida pelos módulos ou ordens e condiciona a eletricidade para ser usada na aplicação específica.