De maneira geral, a energia pode ser definida como a capacidade de produzir um efeito. A incidência de energia luminosa em uma célula fotovoltaica produz uma potência elétrica. Em uma curva de geração de energia da célula fotovoltaica, multiplicando todos os valores de corrente (I) por voltagem (V) é verificado que existe um valor maior que todos os outros. Este valor é considerado, então como referência da energia gerada pela célula, o qual é denominado como o produto de energia máximo (IV)max. Tal produto resultante da energia luminosa incidente na célula é chamado de
potência elétrica máxima (IV)max.
A Figura 63 mostra a curva de geração de energia esperada para a célula fotovoltaica. A forma da curva de geração é independente do tipo de célula fotovoltaica. Isso é importante, uma vez que há diversos tipos de célula, tais como célula de silício, célula sensibilizada por corante (CSSC), célula orgânica e outras. Desta maneira, é possível determinar o produto de energia máximo de qualquer célula a partir da curva de geração de energia. Assim, ao multiplicar os valores de corrente pelos valores das respectivas voltagens, então um máximo valor é obtido, o qual pode ser tomado como a energia referência para a célula denominada de potência elétrica máxima.
O produto de energia máximo é uma medida útil sobre o desempenho de uma célula fotovoltaica. Idealmente, este fator de mérito deveria ser inversamente proporcional ao volume do material necessário para produzir potência elétrica máxima (Pmax). Assim, quanto maior for o valor de Pmax, menor deveria ser o volume de material
contexto é que as pesquisas sobre células solares têm sido realizadas. Uma determinação precisa do produto de energia máximo pode ser feito através da utilização de cálculo computacional.
Figura 63 – Curva de geração de uma célula fotovoltaica genérica.
Fonte: próprio autor.
Em relação à curva de geração (Figura 63), o produto de energia máxima da célula fotovoltaica é dado pela maior área abaixo da curva de geração que é possível ser atingida. A área abaixo da curva de geração está associada à estabilidade da célula. Adicionalmente, a voltagem necessária para reduzir a corrente elétrica (I) a zero é denominada voltagem de circuito aberto (Vca). No início de funcionamento da célula,
isto é, para a voltagem é nula, a corrente é denominada de corrente de curto circuito (Icc).
A estabilidade da célula representa a resistência à perda de energia que a célula apresenta, quando submetida a um campo elétrico induzido pelo acúmulo de carga na junção p-n devido à presença da energia luminosa. Quanto maior a estabilidade menor será perda de energia da célula. A estabilidade pode ser facilmente entendida pela simples experiência descrita a seguir. Ao conectar uma célula fotovoltaica em coletor dados e em seguida incidir energia luminosa na célula, a partir de uma determinada voltagem é que o produto de energia (IV) cai bruscamente devido alta perda de energia.
A perda de energia a uma determinada voltagem pode ser explicada considerando que a energia luminosa gera elétrons na junção p-n da célula, no qual elétrons com alta energia tendem a passar do lado n para o lado p. Inicialmente somente elétrons são gerados, mas com a migração de elétrons através da junção surge uma camada na interface da junção que captura elétrons livres. A captura de elétrons induz o
Voltagem C or re nt e
crescimento de uma camada com cargas opostas resultando em um potencial elétrico da junção p-n. Tal potencial é o responsável pela voltagem da célula.
O potencial da junção p-n acelera para fora da camada gerada por cargas opostas os elétrons com alta energia. Isto incrementa o produto de energia máximo. No entanto, ao capturar elétrons de baixa energia reduz produto de energia máximo. Este paradoxo pode ser explicado ao considerar que a origem da voltagem na célula ocorre a partir da recombinação de elétrons livres na célula. Assim, para gerar maior valor para o produto de energia máximo, o incremento necessário da voltagem precisa ser compensado por geração de maior quantidade de elétrons livres de alta energia.
A partir de certa voltagem, a célula que possuir menor estabilidade terá seus elétrons livres com energia menor do que a energia da camada gerada na junção p-n e, então, os elétrons passarão a ser capturados na junção e não acelerados. A estabilidade de uma célula fotovoltaica sob a incidência de energia luminosa pode ser associada a uma grandeza denominada fator de forma. Essa grandeza, assim como Icc e Vca, tem sido
usada na terminação da eficiência de conversão de energia luminosa em energia elétrica de células fotovoltaicas.
O fator de forma (FF) é um indicador da estabilidade da célula face à geração de energia ou da capacidade de produzir um efeito. Da mesma maneira que o produto de energia máximo, o FF é definido a partir da curva de geração. Para determinar o FF é necessário definir uma grandeza PID, que representa o produto de
energia obtido ao multiplicar Icc por Vca, responsável pelo produto de energia máximo
ideal. O FF da célula é dado pela razão entre o produto de energia máximo (ImaxVmax) e
o produto de energia (IccVca). ca V cc I V I FF max max (46)
Pela Equação 46 pode ser visto que FF é uma grandeza adimensional. Além disso, para uma curva perfeitamente “quadrada”, uma condição de idealidade, o FF sempre será igual a 1,00 ou 100%. Portanto, quanto mais próximo do valor 1,00 (100%) estiver o FF, maior a estabilidade da célula quando submetida à presença de energia luminosa. Talvez o fator de mérito FF seja inversamente proporcional à quantidade de fotoelétrons que sofrem recombinação com incremento da voltagem em uma célula fotovoltaica, que está sob a influência da energia luminosa incidente.