10.2.5 Tecnologias Fotovoltaicas Comercialmente Disponíveis

10.2.5.1 Aspectos Gerais

Em aplicações terrestres, dos diversos semicondutores utilizados para a fabricação de células fotovoltaicas, destacam-se, por ordem descrescente de maturidade e utilização: (a) o silício cristalino — c-Si; (b) o silício amorfo hidrogenado — a-Si:H ou, simplesmente, a-Si; (c) o telureto de cádmio — CdTe; e (d) os compostos relacionados ao disseleneto de cobre e índio e ao disseleneto de cobre, gálio e índio — CuInSe2 ou CIS e Cu(InGa)Se2 ou CIGS. Neste último grupo, estão elementos químicos que são altamente tóxicos — Cd, Se e Te — e/ou muito raros — Te, Se, Ga, In e Cd (RÜTHER, 2004). Isso foi um obstáculo inicial considerável à utilização mais intensiva dessas tecnologias. Acerca da toxicidade, deve-se ressaltar que isso não é característica apenas dos painéis solares de CdTe, CIS e CIGS, que, sem dúvida, deverão ter descarte apropriado; a toxicidade também é característica de outros equipamentos elétricos de uso muito difundido, como lâmpadas fluorescentes, que contêm mercúrio, e de monitores de computador, que contêm chumbo. Quanto à raridade de alguns materiais, existe o contraponto: o Si é, sabidamente, o segundo elemento mais abundante na superfície terrestre, superado apenas pelo oxigênio, conta com mais de 25% de participação na constituição da crosta do planeta e é cem vezes menos tóxico que qualquer um dos outros elementos de interesse (SHAH apud RÜTHER, 2004).

O c-Si é a tecnologia fotovoltaica mais tradicional e, das mencionadas anteriormente, é a única que utiliza lâminas cristalinas relativamente espessas — com diâmetro de aproximadamente 10 cm e espessura que varia de 300 μm a 400 μm. Isso representa uma limitação em termos de redução de custos de produção. As demais tecnologias baseiam-se em películas delgadas, filmes finos com espessura da ordem de 1 μm, de material semicondutor: segundo Rüther (2004), é nesse aspecto que reside o grande potencial de redução de custos que estas tecnologias detêm.

Filmes finos para aplicações fotovoltaicas, principalmente no entorno construído, estão sendo desenvolvidos por apresentarem baixos custos de produção decorrentes das pequenas quantidades de material necessárias, das pequenas quantidades de energia envolvidas em sua produção — o que diminui o tempo de payback de energia — e do elevado grau de automação dos processos de produção — que exige grande precisão e propicia grande capacidade de produção (RÜTHER e LIVINGSTONE, 1993).

Pelo fato de que a radiação solar incidente na superfície terrestre contém pouca densidade energética — como já mencionado, correspondente a cerca de 1 kW/m2 em um dia ensoralado de céu sem nuvens —, quando comparada a outras fontes energéticas, os painéis fotovoltaicos, para que possam ser utilizados para a geração elétrica a preços competitivos, devem ter baixos custos (RÜTHER, 2004). Descrevem-se, a seguir, as principais características de cada uma dessas tecnologias.

10.2.5.2 Tecnologia de Silício Cristalino (c-Si)

O c-Si é a forma mais tradicional de tecnologia fotovoltaica e representa cerca de 80% dos módulos comercialmente produzidos, tendo-se consolidado no mercado por sua extrema robustez e confiabilidade. Considerando que o custo de produção desses módulos é bastante elevado e que as possibilidades de reduzi-lo já estão praticamente esgotadas, muitos analistas consideram que essa tecnologia é pouco competitiva com formas tradicionais de geração elétrica em larga escala. No entanto, segue ainda sendo a líder entre as tecnologias fotovoltaicas para aplicações terrestres em qualquer escala, pois, nos principais mercados mundiais, Japão e Alemanha, a área ocupada por um arranjo fotovoltaico é uma limitação insuperável para as tecnologias com menor eficiência de conversão (RÜTHER, 2004).

A cristalinidade do silício indica quão perfeitamente ordenados estão os átomos da estrutura. Uma distribuição uniforme dos átomos facilita a passagem dos elétrons pela junção pn, ao passo que uma descontinuidade aumenta a probabilidade de o elétron recombinar-se com uma lacuna antes de participar da corrente elétrica (SHAYANI, 2006).

O silício monocristalino (m-Si) é refinado para atingir uma pureza entre 99,99% e 99,9999%. O silício de alta pureza é fundido e colocado em contato com uma semente, um único cristal, e, enquanto ocorre à solidificação, o silício modela-se conforme a estrutura da semente, possuindo uma única estrutura cristalina. Por isso, diz-se que o silício derretido está crescendo enquanto se solidifica (SHAYANI, 2006). Esse processo ocorre em reatores sob atmosfera controlada e com velocidades de crescimento do cristal extremamente lentas, da ordem de cm/hora. Considerando-se que as temperaturas envolvidas são da ordem de 1.400 ºC, o consumo de energia no processo é muito intenso, elevando o tempo de retorno de energia para mais de dois anos , dependendo dos níveis de radiação solar da localidade de instalação dos módulos. Há diversas outras etapas complementares necessárias à fabricação do módulo fotovoltaico, em que ocorrem muitas perdas de material semicondutor (RÜTHER, 2004).

Segundo Shayani (2006), há três processos que podem ser utilizados para a formação do monocristal de silício: o método Czochralski, o mais difundido; a técnica float-zone; e a técnica ribbon-growth. Esses processos não serão aqui discutidos, pois caracterizam demasiado detalhamento para a consecução do objetivo deste trabalho.

A fabricação do silício policristalino (p-Si) exige técnicas mais simples, resultando em menor eficiência da célula e menor perfeição cristalina que no caso do m-Si, porém com menor gasto energético, o que diminui o tempo de payback de energia. O material utilizado é o mesmo que para o m-Si, ou com menor grau de pureza, que é fundido e, posteriormente, solidificado direcionalmente, na forma de lingote com grande quantidade de grãos ou cristais, no contorno dos quais concentram-se os defeitos que tornam esse material menos eficiente que o m-Si em termos de conversão fotovoltaica. Os processamentos posteriores até que seja obtido um módulo fotovoltaico são semelhantes aos utilizados no caso do m-Si (RÜTHER, 2004).

Nos últimos anos, a participação do p-Si no mercado mundial tem aumentado, em detrimento do m-Si, sendo que, atualmente, mais de 50% da produção mundial recai sobre o p-Si (MAYCOCK apud RÜTHER, 2004). O p-Si também pode ser produzido sob a forma de tiras ou fitas — ribbon technology —, a partir de um banho líquido de silício. Nesse processo, fica dispensado o fatiamento em lâminas, pois as tiras de p-Si já são produzidas com a espessura final da célula (RÜTHER, 2004).