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Células solares de silício cristalino
As células baseadas em silício pertencem à primeira e mais antiga geração de células solares. Com uma quota de produção global de cerca de 97% (2023), dominam completamente o mercado fotovoltaico.
Porque é usado silício?
O silício é particularmente adequado para células solares:
| Propriedade | Vantagem |
|---|---|
| Abundância | Segundo elemento mais abundante na crosta terrestre |
| Propriedades semicondutoras | Ideal para o efeito fotovoltaico |
| Estabilidade | Vida útil longa (25+ anos) |
| Experiência industrial | Décadas de otimização de processos |
Monocristalino vs. policristalino
A principal diferença está na estrutura cristalina:
Silício monocristalino
Processo Czochralski: a partir de um único cristal cortam‑se as lâminas (wafers)
| Propriedade | Valor |
|---|---|
| Estrutura | Um único cristal contínuo |
| Cor | Azul-escuro a preto |
| Rendimento | 20–24% (comercial) |
| Fabrico | Processo Czochralski |
Vantagens:
- Maior rendimento
- Vida útil elevada
- Melhor aproveitamento da área (mais potência por m²)
Desvantagens:
- Custos de fabrico mais elevados
- Processo de produção mais complexo
Silício policristalino
| Propriedade | Valor |
|---|---|
| Estrutura | Muitos pequenos cristais (grãos) |
| Cor | Azul-claro, com aspeto cintilante |
| Rendimento | 17–19% (comercial) |
| Fabrico | Processo de fundição em lingotes |
Vantagens:
- Fabrico mais económico
- Processo produtivo mais simples
Desvantagens:
- Rendimento inferior
- Quota de mercado em forte diminuição
Tendência de mercado: Os módulos policristalinos estão a ser progressivamente substituídos por módulos monocristalinos. A diferença de preço tornou‑se mínima, enquanto a diferença de eficiência continua a ser relevante.
Tecnologias de fabrico em detalhe
AL-BSF: o padrão clássico
AL-BSF significa "Aluminium Back Surface Field" – foi o padrão industrial durante décadas.
Estrutura em camadas de uma célula solar clássica AL-BSF
| Camada | Função |
|---|---|
| Contacto N | Polo negativo, extração de corrente |
| Silício dopado N | Excesso de eletrões |
| Junção PN | Separação de cargas |
| Silício dopado P | Material de base |
| Camada de alumínio | Reduz a recombinação |
| Contacto P | Polo positivo |
Rendimento típico: 18–20% (comercial)
PERC: a evolução do conceito clássico
PERC = "Passivated Emitter and Rear Cell" – uma evolução da tecnologia AL-BSF.
Melhorias face a AL-BSF:
- Camada adicional de passivação na parte traseira
- Contactos traseiros localizados
- Menor recombinação de portadores de carga
| Aspeto | AL-BSF | PERC |
|---|---|---|
| Rendimento | 18–20% | 21–23% |
| Recombinação | Mais elevada | Reduzida |
| Custos | Baixos | Moderados |
| Quota de mercado | Em declínio | Dominante |
Atualmente, PERC é a tecnologia mais vendida a nível mundial.
HIT/SHJ: tecnologia de heterojunção
HIT = "Heterojunction with Intrinsic Thin Layer" (também designada SHJ = Silicon Heterojunction)
Combinação de silício cristalino com silício amorfo
| Camada | Material |
|---|---|
| Contacto N | Grelha metálica |
| Junção PN | Heterojunção |
| Si cristalino | Dopado N (base) |
| Si amorfo | Intrínseco + dopado P |
| TCO | Óxido condutor transparente |
| Contacto P | Camada metálica |
Vantagens das células HIT/SHJ:
- Rendimento muito elevado (22–24%)
- Coeficiente de temperatura baixo (menos perdas em dias quentes)
- Possibilidade de utilização bifacial
- Degradação reduzida e vida útil longa
Desvantagens:
- Processo de fabrico mais complexo
- Custos de produção superiores
TOPCon: a nova estrela
TOPCon = "Tunnel Oxide Passivated Contact" – o novo líder em crescimento no mercado.
TOPCon: camada de óxido de tunelamento para máxima eficiência
| Camada | Função |
|---|---|
| Contacto N | Extração de corrente |
| Camada de passivação | Reduz a recombinação |
| Silício dopado N | Base (célula de tipo N!) |
| Junção PN | Separação de cargas |
| Camada de óxido de tunelamento | Permite o efeito de tunelamento |
| Silício dopado P | Camada fina |
| Contacto P | Extração de corrente |
Particularidade: A camada de óxido de tunelamento explora o efeito de tunelamento quântico – os eletrões atravessam a barreira, enquanto as lacunas (cargas positivas) são bloqueadas.
Vantagens das células TOPCon:
- Rendimento comercial entre 22–24%
- Possibilidade de adaptação de linhas de produção PERC existentes
- Tipo N: ausência de degradação induzida pela luz (LID)
- Bom comportamento em condições de baixa luminosidade
Comparação das tecnologias
Avaliação: ++ muito bom, + bom, - fraco, -- muito fraco
Resumo
| Tecnologia | Rendimento | Custos | Tendência |
|---|---|---|---|
| AL-BSF | 18–20% | Baixos | ↓ Em fase de saída |
| PERC | 21–23% | Moderados | → Estável |
| HIT/SHJ | 22–24% | Elevados | ↑ Segmento premium |
| TOPCon | 22–24% | Moderados | ↑↑ Forte crescimento |
Que tecnologia escolher?
| Situação | Recomendação | Justificação |
|---|---|---|
| Orçamento limitado | PERC | Melhor relação custo/benefício |
| Máxima eficiência | TOPCon ou HJT | Maiores rendimentos disponíveis |
| Cobertura com pouca área | Tipo N (TOPCon/HJT) | Mais produção por m² |
| Sistema de varanda / pequeno autoconsumo | PERC | Económico e tecnicamente suficiente |
| Investimento de muito longo prazo | Tipo N | Menor degradação ao longo dos anos |
Conclusão
Essencial: As células de silício cristalino representam cerca de 97% do mercado fotovoltaico. A tendência é clara para células de tipo N: a tecnologia TOPCon deverá substituir PERC como novo padrão industrial. Para novas instalações em Portugal, os módulos TOPCon são atualmente uma opção muito equilibrada entre eficiência, durabilidade e preço, desde que certificados segundo as normas europeias aplicáveis (por exemplo, EN 61215 e EN 61730) e compatíveis com os requisitos do Sistema de Certificação Energética dos Edifícios (SCE).
Quem quiser aprofundar o tema pode ver: Películas finas e novas tecnologias
Fontes
- Pastuszak, J.; Węgierek, P.: Photovoltaic Cell Generations and Current Research Directions. Materials 2022
- ITRPV: International Technology Roadmap for Photovoltaic 2024
- D. Pan, T. Guo, X. Chen: Silicon-based solar cell: Materials, fabrication and applications. ISCTIS 2021
- Lindroos, J.; Savin, H.: Review of light-induced degradation in crystalline silicon solar cells. Solar Energy Materials and Solar Cells 2016