O físico francês Alexandre Edmond Becquerel fez a descoberta sensacional já em 1839: Quando a luz (foto) incide sobre certas substâncias, a tensão (voltaica) é criada. Mas como funciona com energia fotovoltaica? Explicamos como eles funcionam.
Depois de sua descoberta, demorou 120 anos para a energia fotovoltaica servir como fonte de energia para os primeiros satélites e espaçonaves. Nesse ínterim, a célula solar se tornou um fornecedor popular de eletricidade para poupadores de energia
É nisso que consiste a célula solar
Apenas certos materiais podem converter luz em eletricidade, um deles é o silício. Mais de 90 por cento de todas as células solares são feitas de silício. Sua vantagem: A matéria-prima areia de quartzo está disponível em quantidades suficientes na terra e o silício é ecologicamente correto.
A luz solta elétrons na camada limite (verde), que fluem de volta para fora através da lâmpada.
Uma célula solar cristalina geralmente consiste em duas camadas de silício - juntas com dois a três décimos de milímetro de espessura.
No lado ensolarado, o silício é deliberadamente intercalado com átomos de fósforo. Simplificando, os átomos de fósforo têm um elétron negativo a mais (ou seja, negativo). Os átomos de boro ficam do outro lado da célula - eles têm um elétron a menos (ou seja, positivo). As camadas negativa e positiva se tocam.
A eletricidade flui da célula solar através de controladores de carga e inversores para a bateria ou rede elétrica.
Com luz para o fluxo de eletricidade
Quando a luz atinge a célula, os elétrons são colocados em movimento. Assim que começam, saltam a fronteira da camada negativa para a camada positiva, onde há falta de elétrons - os outros sobem. Os elétrons migram de volta para sua camada antiga na parte inferior da célula por meio de uma grade de metal (dedo de contato), cabo e placa portadora (contato). Quando o circuito é fechado, a corrente elétrica flui. Quanto mais raios de luz atingem os elétrons, mais eletricidade é produzida. Se a irradiação permanecer a mesma, o ganho de potência depende apenas da superfície. Quanto maior for a superfície, maior será a amperagem. Se o sol brilhar mais forte, a célula solar produz mais eletricidade. Esta é a corrente contínua, pois também é armazenada em baterias. No entanto, as células solares não podem armazenar eletricidadeeles entregam.
O módulo solar
As células solares não podem funcionar ao ar livre sem proteção. Eles têm que estar sob uma capa: o módulo.
Várias células solares são conectadas a uma unidade no módulo. As células cristalinas são unidas e conectadas umas às outras. Os fios são embalados em filme plástico e colocados entre duas placas de vidro. A tecnologia de filme fino produz uma grande célula quando a placa de vidro é vaporizada. Um laser os corta em tiras que são interconectadas.
Uma fonte de alimentação, também conhecida como inversor, converte a corrente contínua gerada pelos módulos em corrente alternada (tensão alternada de 230 volts). A eletricidade gerada é alimentada inteiramente na rede pública. Este é remunerado de acordo com a “Lei das Fontes de Energia Renovável” (EEG).
Dois tipos: células solares cristalinas e amorfas
Existem dois tipos de células solares: cristalinas e amorfas. As células cristalinas respondem por cerca de 80 por cento da produção global.
Células solares monocristalinas: O material de partida é um caro silício ultra-puro, que é extraído de uma fusão de silício em um processo demorado e caro, prensado em barras e cortado em fatias de até 12 centímetros de diâmetro. No monocristal, todos os átomos estão alinhados da mesma maneira. Do azul ao preto, a pedido também células de diferentes cores, exploram os raios solares em laboratório até 24 por cento; na prática, porém, apenas até 16 por cento.
Células solares multicristalinas: o polissilício produzido industrialmente é mais barato do que a produção de monocristais. Na prática, a eficiência das células azuladas é de 11 a 14 por cento.
As células cristalinas dificilmente perdem sua eficiência mesmo ao longo de décadas.
Células solares amorfas
As células amorfas mais baratas são adequadas para recursos hídricos no jardim ou nas escalas domésticas da casa, bem como em grandes fachadas. Se o espaço para um grande sistema fotovoltaico for limitado, as células cristalinas funcionam com mais eficácia.
É assim que as células amorfas são construídas: a camada geradora de eletricidade é vaporizada em uma placa de vidro. Os átomos não são mais armazenados em uma estrutura cristalina, mas de forma desordenada (amorfa). Esse processo requer relativamente pouco silício: isso reduz o preço. Em comparação com as células cristalinas de 0,2 a 0,3 milímetros de espessura, as células de película fina medem apenas 0,01 a 0,05 milímetros. As células são marrons ou antracíticas e têm uma eficiência de seis a sete por cento. Em dias sombrios, as células amorfas fornecem mais eletricidade do que outras.
A eficiência das células amorfas diminui com o passar dos anos: após 20 anos, é cerca de 70% da produção inicial.
Módulos solares modernos também podem ser instalados discretamente no telhado do pátio ou na garagem.
novas tecnologias
Duas células de filme fino mais recentes funcionam sem silício: material feito de disseleneto de cobre e índio (CID) e de telureto de cádmio (CdTe). As novas células estão sendo usadas atualmente em plantas piloto. A tecnologia do futuro é um novo processo de filme fino no qual uma camada de silício cristalino é aplicada a um material portador. Isso combina a alta eficiência das células cristalinas com o baixo consumo de material das células de película fina.
Existe algum limite para o desempenho?
Conforme explicado acima, os módulos monocristalinos alcançam os mais altos níveis de eficiência, seguidos pelos módulos solares policristalinos. No entanto, as vantagens dos módulos monocristalinos são compensadas pelo alto gasto de energia e custos para o crescimento dos cristais de silício. Um desenvolvimento mais recente pode ter um grande potencial aqui: os módulos quase monocristalinos. São módulos policristalinos que, graças a um sistema de controle especial, apresentam propriedades semelhantes aos módulos monocristalinos durante o crescimento do cristal.
A eficiência de uma substância não pode ser desenvolvida à vontade e tem limites naturais - porque o material só pode processar certos comprimentos de onda de luz. Com módulos de silício monocristalino, o maior grau de eficiência possível é de cerca de 29 a 33 por cento - em teoria.
Isso chegou ao fim do mastro? Não, porque as novas tecnologias também criam novas oportunidades. As chamadas células solares em tandem, por exemplo, podem aumentar a eficiência usando um princípio simples: se você empilhar materiais diferentes para partes diferentes do espectro de luz um sobre o outro, a eficiência também aumenta. Mais de 40% já foram alcançados e mais de 80% são concebíveis para o futuro.
A eficiência natural também está sendo refinada ainda mais. Cientistas japoneses anunciaram um novo recorde de eficiência para células solares de silício de 26,3% no início de 2017. Isso não está longe do limite específico do material. No entanto, o seguinte se aplica aqui: Um grau mais alto de eficiência só torna a energia solar mais barata se os custos de produção não aumentarem na mesma proporção.
