Por: Douglas Rupolo Gomes | Coordenador de Ensino e Instrutor na Área de Energia Solar | FiberX Training
A possibilidade da instalação de sistemas fotovoltaicos residenciais, comerciais e industriais para geração própria de energia elétrica e a consequente economia na fatura mensal é recente, pouco mais de uma década.
A construção de usinas fotovoltaicas centralizadas e a implementação de microgeração e minigeração solar distribuída levou a uma transformação na paisagem urbana e rural do Brasil, pois é cada vez mais comum módulos fotovoltaicos instalados em telhados de edificações, fixados em estruturas no solo ou até em flutuadores na superfície da água de lagos e reservatórios.
A geração de energia elétrica a partir da fonte solar renovável, contribui com a redução das emissões de CO2 na atmosfera terrestre e por consequência conduzindo a um futuro mais sustentável.
Módulos de Silício Cristalino – Monocristalino e Policristalino
O módulo, também chamado de placa ou painel fotovoltaico, é o elemento mais caro de um sistema fotovoltaico, custando entre 38% e 50% do total dos investimentos, conforme estudo da Grenner [fonte 7].
Um módulo capta a radiação solar convertendo-a em eletricidade pelo efeito fotovoltaico, através de células solares. Células fabricadas em silício cristalino, que compõem um módulo dessa tecnologia, são as mais produzidas e dominam o mercado mundial, sendo classificadas de duas maneiras, conforme figura 1: células de silício policristalino com arranjo molecular heterogêneo e células de silício monocristalino com arranjo molecular homogêneo.
As segundas células são mais eficientes, apresentam processo produtivo com maior gasto de energia e possuem valor de mercado maior se comparado com as primeiras.
Figura 1- Módulos e Células Policristalina e Monocristalina
Adaptado fonte [9]
Tecnologia N-Type vesus P-Type
Uma célula solar ou fotovoltaica é a menor unidade de conversão de radiação solar em eletricidade. Um módulo de silício cristalino, é composto por dezenas ou centenas dessas células ligadas em série. Células monocristalinas ou policristalinas podem ser classificadas como células N-Type (tipo N) ou P-Type (tipo P).
a) Aspectos construtivos da célula N-Type
Na figura 2, mostra-se os aspectos construtivos de uma célula de silício cristalino, onde observa-se uma camada base N-Type (cor laranja) mais espessa e uma camada superior P-Type (cor azul) mais fina e quando unidas formam a junção PN. Essa célula é identificada pela sua camada base, ou seja, célula NType.
b) Aspectos construtivos da célula P-Type
De maneira análoga, quando uma célula de silício cristalino é formada por uma camada base P-Type (cor azul), uma camada superior N-Type (cor laranja) e entre elas a junção PN, essa célula é identificada por sua camada base, isto é, célula P-Type, conforme mostrado na figura 3.
Figura 2- Célula N-Type
Fonte [10]
Figura 3- Célula P-Type
Fonte [10]
c) Dopagem em célula N-Type
A técnica de se acrescentar ao cristal de silício semicondutor, átomos que não sejam de silício (impurezas), para aumentar o número de elétrons ou o número de lacunas é chamada de dopagem.
Pode-se observar na figura 4-a, um cristal de silício (Si) tetravalente dopado com átomos de fósforo (P) pentavalente, onde elétrons ficam sem participar das ligações covalente, tornando-se elétrons livre (free electrons). Como os elétrons livres são cargas elétricas negativas, este semicondutor é chamado célula N-Type.
d) Dopagem em célula P-Type
De modo semelhante, quando um cristal de silício (Si) tetravalente é dopado com átomos de boro (B) trivalente, as ligações covalentes formam lacunas (holes).
Como as lacunas podem ser consideradas cargas elétricas positivas, este semicondutor é chamado célula P-Type, visto na figura 4-b. Além do boro (B) esse tipo de célula pode ser dopada com gálio (Ga).
Figura 4- Dopagem de Células N-Type (a). Dopagem de Células P-Type (b)
Fonte [11]
As tradicionais células P-Type foram incialmente fabricadas para atender as demandas da indústria aeroespacial, devido as suas características de alta resistência à radiação e à degradação no espaço.
Esse tipo de célula continua até hoje como padrão da indústria solar devido ao seu processo de fabricação ser mais simples e gastar menos energia se comparado com células N-Type.
Contudo, apesar de apresentarem um custo produtivo maior, células N-Type estão ganhando cada vez mais espaço do mercado de energia solar, sendo que no ano de 2027 serão as mais produzidas em escala mundial, conforme mostrado no gráfico da figura 5.
Figura 5- Fatia do Mercado 2022 a 2033 para células N-Type e P-Type
Fonte [8]
Nos últimos anos, houve um grande interesse na fabricação de células N-Type pois apresentam as seguintes vantagens em relação a P-Type:
• Maior eficiência;
• Menor de degradação induzida pela luz (LID – Light Induced Degradation);
• Menor degradação induzida por luz e temperatura elevada (LeTID – Light and elevated Temperature Induced Degradation);
• Menor coeficiente de temperatura;
• Maior bifacialidade.
Degradação em Módulos Comerciais N-Type e P-Type
Em células de módulos de sílico cristalino, quando submetidas a luz solar, ocorrem os fenômenos de degradação induzida pela luz (LID – Light Induced Degradation) e degradação induzida por luz e temperatura elevada (LeTID – Light and elevated Temperature Induced Degradation).
O fenômeno de LID é mais acentuado no primeiro ano de exposição e depende da intensidade da radiação solar ou luz solar. Por outro lado, o LeTID depende principalmente da intensidade de temperatura de operação ao qual o módulo é submetido ao longo de sua vida útil.
A degradação indica a redução da potência de saída do módulo fotovoltaico durantes os anos e os fabricantes informam isso através de gráficos em seus datasheets.
Figura 6 - Degradação de Potência - Módulo N-Type
Fonte [5]
Figura 7- Degradação de Potência - Módulo P-Type
Fonte [6]
Para um módulo N-Type, o gráfico da figura 6 mostra que a degradação de potência é de 1% no primeiro ano e de 0,4% anualmente entre o segundo e o trigésimo ano.
Fazendo a mesma análise para um módulo P-Type, conforme figura 7, a degradação de potência é de 2% no primeiro ano e depois disso é de 0,55% anualmente entre o segundo e o vigésimo quinto ano.
Dessa maneira, percebe-se a menor degradação de potência para a tecnologia N-Type ao longo dos anos de operação do módulo sendo uma vantagem bastante explorada pelos fabricantes.
Considerações Finais
Módulos fotovoltaicos podem ser produzidos com células de silício cristalino Ptype e N-Type, sendo definidas pela sua camada base e pelos elementos de dopagem de cada uma delas.
Módulos P-Type são o padrão atual da indústria solar, contudo os módulos NType estão ano após ano aumentando sua participação no mercado mundial. Isso deve-se aos custos que estão diminuindo e as diversas vantagens que módulos compostos por células N-Type apresentam em relação ao P-Type.
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Referências
[1] What’s N-Type Technology and What Does it Mean for Solar?, Trina Solar, setembro 2022. Disponível em: < https://www.trinasolar.com/us/resources/blog/whatsn-type-solar-technology >. [Acesso em dezembro de 2023].
[2] Células solares dos tipos P e N e os efeitos LID e LeTID, Mendelsson Rainer Macedo Neves, Revista Canal Solar, junho 2022, No. 10.
[3] O que são as células solares fotovoltaicas do tipo N?, Marcelo Villalva, agosto de 2020. Disponível em: < https://canalsolar.com.br/o-que-sao-as-celulas-solaresfotovoltaicas-do-tipo-n/ >. [Acesso em dezembro de 2023].
[4] Trina Solar 210 Vertex N - Product Whitepaper.
[5] Datasheet do módulo fotovoltaico 565-585W (N-Type), modelo LP182*182M72NH, Leapton Energy Co., ltd.
[6] Datasheet do módulo fotovoltaico 540-560W (P-Type), modelo LP182*182M72MH, Leapton Energy Co., ltd.
[7] Estudo Estratégico do 1° semestre 2023 - Geração Distribuída - Mercado Fotovoltaico, Greener, setembro 2023.
[8] International Technology Roadmap for Photovoltaic (ITRPV) - 2022 Results, 14° Edition, April 2023.
