Energia Solar Fotovoltaica: O avanço tecnológico das células fotovoltaicas e suas aplicações.
Introdução
O sistema elétrico nacional adquiriu características únicas, se comparadas com outros países, ao longo do tempo. O Brasil possui uma matriz energética baseada em energias renováveis, com baixa emissão de gases do efeito estufa, e o setor elétrico passa por constantes mudanças. Atualmente em 2024, conforme o Operador Nacional do Sistema Elétrico (ONS, 2024) e Agência Nacional de Energia Elétrica (ANEEL, 2024) temos os dados de 16 GW em energia solar fotovoltaica com geração centralizada e 34 GW em geração distribuída, totalizando 50 GW em energia solar fotovoltaica. Para que essa energia seja gerada com qualidade, é necessário ter módulos fotovoltaicos com qualidade e com células com boa eficiência. Atualmente, encontra-se no mercado, células fotovoltaicas com três topologias diferentes, entre elas: PERC ”emissor passivado e célula traseira”, TOPCon “contato passivado com óxido de efeito túnel” e HJT “Tecnologia de Heterojunção”. (M.A.Green, Efficient Silicon Solar Cell, 1989).
Nos anos de 2012 até 2018, as tecnologias de células (Policristalina), dominou o mercado brasileiro, formando módulos convencionais, tipicamente formadas por 72 células fotovoltaicas e com o passar dos anos, os fabricantes de módulos foram evoluindo as tecnologias. Os módulos fotovoltaicos com tecnologia Poli, entregavam uma eficiência da ordem de 16% a 17% e com coeficiente de temperatura da ordem -0,41%/°C. (Datasheet Trina Solar).
A eficiência da célula PERC já está próxima do limite teórico; com isso, fica difícil o aumento e não consegue resolver completamente o fenômeno da falha de luz gerada por células baseadas em silício do tipo P. (Fischer, H, 1973), (Ramspeck, K, 2012). Analisando o datahseet do fabricante de módulos fotovoltaicos, observa-se que o coeficiente de temperatura e a curva de garantia de performance da tecnologia PERC é inferior que a topologia TOPCon. (Datasheet Trina Solar), esses estudos vão ser apresentados por meio de simulação mostrando a retenção de energia nos próximos 30 anos das tecnologias citadas acima e com esses dados, iremos observar a diferença entre as topologias PERC e TOPCon.
As células fotovoltaicas com tecnologia TOPCon estão em constante evolução de eficiência e a sua estrutura é formada por contato de passivação, aumentando a probabilidade de portadores de múltiplos elétrons, melhorando significamente os parâmetros relacionados a tensão de circuito aberto (Voc) e corrente de curto circuito (Isc).
E por fim, vem a tecnologia (HJT), no qual está em desenvolvimento e sendo testado constantemente pelos fabricantes chineses. Essa tecnologia é formada por estrutura igual da tecnologia PERC e é composta de silício cristalino e materiais de silício amorfo. A estrutura da tecnologia HJT é combinada com passivação dupla de filme finos de silício amorfo e pastilhas de silício tipo N, pode aumentar muito a potência e mitigar a degradação induzida pelo potencial (PID).
A tecnologia PERC tem uma degradação de potência no primeiro ano aproximadamente de 2% e nos anos seguintes resultará uma perda da ordem de 0,4%. Já a tecnologia TOPCon e HJT terá uma degradação de potência no primeiro ano de aproximadamente 1% e a cada ano seguinte uma perda de 0,37%. O coeficiente de temperatura da tecnologia (HJT) e TOPCon é o menor segundo os estudos, fazendo com que esses módulos fotovoltaicos tenham uma melhor performance que a tecnologia PERC em lugares com alta temperatura. Apresentando os parâmetros de coeficiente de temperatura retirado do datasheet de um fabricante de módulos fotovoltaicos, teremos as seguintes informações: módulos compostos por células fotovoltaicos PERC com coeficiente de temperatura (-0.34%/°C) e para módulos compostos por células fotovoltaicas TOPCon com coeficiente de temperatura de (-0,29 %/°C). (Trina Solar, 2024).
O objetivo dessa pesquisa, é trazer as informações e resultados por meio de estudos científicos e simulações aplicadas no software PVsyst entre as topologias citadas acima e comprovar qual tem a melhor performance entre as tecnologias. Para esse estudo, foi elaborado um sistema fotovoltaico formado por módulos fotovoltaicos e inversor fotovoltaico.
Nesse primeiro estudo, foram escolhidas duas topologias de módulos fotovoltaicos composto por células fotovoltaicas com tecnologia TOPCon e PERC, simulando a geração na capital de Cuiabá – MT. A cidade escolhida para essa simulação foi estratégica devido a alta temperatura que essa cidade apresenta conforme Instituto Nacional de Meteorologia (INMET).
Material e Métodos
Com os avanços tecnológicos em células fotovoltaicas, necessitou-se da aplicação dessas tecnologias na formação dos módulos fotovoltaicos para um avanço significativo da eficiência e potência. A metodologia utilizada pelos fabricantes chineses é entregar células fotovoltaicas com performance quando exposto ao clima de alta temperatura, como no Brasil. Para formação dos módulos fotovoltaicos são necessários os seguintes componentes:
– Vidro fotovoltaico,
– Encapsulante EVA,
– Células fotovoltaicas,
– Encapsulante EVA,
– Backsheet,
– Moldura de alumínio
As células fotovoltaicas são sensíveis e necessitam de cuidados no transporte e na instalação dos módulos fotovoltaicos. Esse cuidado evitará eventos indesejado com os módulos fotovoltaicos como microfissuras nas células fotovoltaicas e isso pode afetar a qualidade da geração do sistema fotovoltaico. A figura 1 mostra a imagem de um módulo fotovoltaico com as suas dimensões.
Figura 1 Módulo Fotovoltaico com tecnologia de Células i-TOPCon. Fonte: Datasheet_Vertex_NEG21C.20_PT_2024_A%20(10).pdf
Nota: Datasheet da Trina Solar
Esse módulo fotovoltaico é composto por 132 células com tecnologia N-type i-TOPCon e pesa 38,3 kg. (Trina Solar, 2024). Todo sistema fotovoltaico, antes de ser implantado no telhado, é necessário fazer um estudo por um engenheiro civil para analise estrutural. Essa tecnologia é conhecida como “half cell” (meia célula, em português) é uma abordagem utilizada em células fotovoltaicas para melhorar a eficiência e o desempenho dos módulos fotovoltaicos. Em uma célula fotovoltaica convencional, uma única célula fotovoltaica é composta por uma única junção p-n, que converte a luz solar em eletricidade.No entanto, nas células fotovoltaicas de meia célula, a célula é dividida em duas metades, e cada metade opera de forma independente.
Essa divisão em “meia célula” tem algumas vantagens:
Redução da resistência interna: Como a corrente precisa percorrer uma distância menor em cada meia célula, há uma redução na resistência interna da célula fotovoltaica. Isso resulta em menores perdas de energia durante o transporte de elétrons.
Redução do efeito de sombreamento: Se uma parte do módulo fotovoltaico é sombreada (por nuvens, folhas de árvores, ou outras obstruções), apenas a metade sombreada do módulo é afetada, enquanto a outra metade continua a gerar energia.
Menor degradação de desempenho: As células fotovoltaicas de meia célula também podem ser menos suscetíveis à degradação do desempenho ao longo do tempo, pois cada metade da célula opera em uma corrente mais baixa, reduzindo o estresse sobre os materiais.
Melhoria na eficiência: No geral, essas vantagens contribuem para uma melhoria na eficiência geral da célula fotovoltaica.
Embora as células solares de meia célula possam ser mais caras de produzir devido à complexidade do design, seus benefícios em termos de eficiência e desempenho podem compensar esse custo adicional, especialmente em aplicações onde o espaço é limitado ou onde a eficiência energética é crucial. A figura 2 mostra uma célula fotovoltaica poli cristalina convencional.
Figura 2 Célula fotovoltaica policristalina convencional. Fonte: Acervo do autor
A figura 2 mostra uma célula fotovoltaica poli cristalina convencional que é um tipo comum de célula fotovoltaica utilizada na fabricação de módulos fotovoltaicos. A figura 3 ilustra a estrutura de uma célula com tecnologia P-type PERC.
Figura 3 Célula fotovoltaica P-type PERC. Fonte: VANZETTO, A. B
Nota: disponível no site (https://www.scielo.br/j/ce/a/J858RyczzRbNV6BcxPt3XZm/#)
A tecnologia PERC entrou no mercado brasileiro entre os anos de 2021 até 2023, pois a sua topologia chegou no limite de avanços relacionado a sua evolução. Às células PERC são construídas com uma arquitetura especial que inclui um contato traseiro passivado, conforme figura 3. Isso significa que a parte de trás da célula é revestida com uma camada dielétrica de alta qualidade para reduzir a recombinação de portadores de carga. A eficiência dos módulos com células PERC pode variar entre a faixa de 20% à 21,4% conforme datasheet do fabricante. A figura 4 mostra a estrutura de uma célula com tecnologia N-type TOPCon.
Figura 4 Célula fotovoltaica N-type TOPCon. Fonte: Fonte: VANZETTO, A. B
Nota: disponível no site (https://www.scielo.br/j/ce/a/J858RyczzRbNV6BcxPt3XZm/#)
Às células fotovoltaicas de tecnologia N-type TOPCon tem vantagens com relação a PERC, possui uma mobilidade de portadores de carga mais alta em comparação com o silício P-type. Isso resulta em uma melhor resposta às condições de iluminação difusa e em uma maior eficiência em comparação com as células P-type PERC. A tecnologia de células TOPCon utiliza uma camada de óxido de túnel ultrafina para passivar os contatos na parte traseira das células fotovoltaicas, conforme figura 4. Essa camada ajuda a reduzir as perdas de recombinação de portadores de carga, o que aumenta a eficiência da célula fotovoltaica.
A eficiência dos módulos com células N-type TOPCon podem variar entre a faixa de 22% à 23,4% conforme datasheet do fabricante. A figura 5 mostra a construção de um módulo fotovoltaico.
Figura 5 – Módulos fotovoltaicos compostos por seus materiais. Fonte: (Oliveira, William Cambuhi de)
Nota: Livro de Energia Solar Fotovoltaica: Fundamentos, Inovações Tecnológicas e Suas aplicações
A figura 5 mostra a composição de um módulo fotovoltaico monofacial. Esse módulo fotovoltaico é composto por vidro fotovoltaico, encapsulante EVA, células fotovoltaicas, moldura de alumínio e backsheet. Essa tecnologia de módulos monofaciais é essencial para aplicação nos telhados residenciais. Para cada projeto é importante fazer uma análise, como por exemplo, em usina de solo, é uma vantagem usar módulos fotovoltaicos bifaciais, no qual obterá um ganho e performance superior que módulos monofaciais. No software como PVsyst ou HelioScope, é possível analisar essa diferença.
Para as análises de desempenho das tecnologias detalhado em resultados e discussão, foi utilizado o software PVsyst para simulação de sistemas fotovoltaicos com módulos do fabricante Trina Solar com as tecnologias policristalina, PERC e i-TOPCon e inversor fotovoltaico de string do fabricante Solis. Com esse estudo, será fácil de compreender que à tecnologia i-TOPCon tem a menor perda quando aplicado em alta temperatura. A figura 6 mostra um inversor fotovoltaico que foi utilizado para essa pesquisa.
Figura 6 – Inversor fotovoltaico Solis, aplicado na simulação no PVsyst. Fonte: Ginlong Technologies Solis
Nota: (https://www.solisinverters.com/br/solarinverter17/S6_1P2,5_6kW_S_br.html)
Para a realização das analises, é necessário aplicar um inversor fotovoltaico no software de simulação. Foi utilizado um inversor fotovoltaico de 3,6 kW com três tipos de módulos fotovoltaicos sendo cada módulo com topologia diferente, entre às células fotovoltaicas policristalina, PERC e TOPCon. A figura 7 mostra o software PVsyst.
Figura 7 – Software de simulação para sistema fotovoltaico PVsyst. Fonte: Acervo do autor
Nota: (Software de simulação PVsyst)
O software PVsyst foi projetado para fazer simulações e projetos de sistemas de energia solar fotovoltaico. O PVsyst entrega resultados precisos e com performance muito próximo do sistema fotovoltaico real em operação. Esse software de simulação é utilizado desde os profissionais até os pesquisadores de universidades para projetos e pesquisas relacionado ao desempenho dos sistemas fotovoltaicos.
Resultados e Discussão
Utilizando o software PVsyst para analises de três módulos fotovoltaicos com tecnologias diferentes cada uma delas. Nessa analise não foi aplicado o módulo fotovoltaico com tecnologia HJT, pois trata-se de uma tecnologia que está em constante estudos de desenvolvimento e pesquisa. Para essa pesquisa foram usados módulos com as seguintes tecnologias: Policristalino, PERC e TOPCon.
O intuito dessa análise é mostrar para o público a evolução das células fotovoltaicas e suas aplicações, comprovando que a tecnologia TOPCon é a que obtem a melhor performance em alta temperatura. A figura 8 mostra o comportamento do módulo fotovoltaico de tecnologia i-TOPCon relacionado a variação de temperatura x irradiância que é dado em W/m².
Figura 8 – Comportamento do módulo com tecnologia i-TOPCon em variação de temperatura x irradiância. Fonte: Acervo do autor
Nota: (Simulação elaborada no PVsyst)
Com essa análise é possível verificar que o módulo fotovoltaico composto por células de tecnologia TOPCon quando opera em uma irradiância da ordem de 1000 W/m² pode chegar e ultrapassar a uma temperatura de 70 ºC. Todo semicondutor em alta temperatura, perde eficiência e por esse motivo, a tecnologia de células N-Type TOPCon foi estudado para perder menos eficiência comparado as outras tecnologias aqui já citada. (datasheet Trina Solar). Fazendo uma analogia entre as tecnologias aqui citadas, pudemos observar por meio da pesquisa que a tecnologia TOPCon tem a menor perda quando submetido em alta temperatura. Essa perda está relacionado ao coeficiente de temperatura, quanto menor o coeficiente de temperatura, menor será a perda. Antes de chegarmos nos resultados da tecnologia TOPCon, primeiro vamos mostrar as perdas da tecnologia de poli cristalina. A figura 9 mostra uma simulação de um sistema fotovoltaico com tecnologia poli cristalino.
Figura 9 – Simulação no PVsyst com módulo composto de tecnologia poli. Fonte: Acervo do autor
Nota: (Simulação realizada no PVsyst)
Com essa análise é possível verificar a perda de eficiência que o módulo fotovoltaico de tecnologia poli cristalino com coeficiente de temperatura da ordem de (-0,41%/°C), aplicado em alta temperatura, sendo de (-13%). A figura 10 mostra a análise de módulo fotovoltaico com tecnologia PERC.
Figura 10 – Simulação no PVsyst em módulo composto de células com tecnologia PERC. Fonte: Acervo do autor
Nota: (Simulação realizado no software PVsyst)
A análise elaborada no PVsyst mostra que o módulo fotovoltaico com tecnologia PERC tem uma perda de eficiência com relação a alta temperatura de -11%. Essa perda está relacionada ao coeficiente de temperatura desse módulo fotovoltaico que é de (-0.34%/°C). A figura 11 mostra a curva de performance nos próximos 30 anos.
Figura 11 – Curva de performance da tecnologia PERC. Fonte: https://solaranalytica.com/wp-content/uploads/2022/04/Trina-Vertex-645-670W-Datasheet-Solar-Analytica-Verified.pdf
Nota: (Datahseet Trina Solar)
Quando esse módulo fotovoltaico é instalado dentro das boas práticas de instalação e cuidados necessários e entrar em operação, ele terá uma degradação relacionada a geração de energia em torno de 2% no primeiro ano. No segundo ano em diante, ele terá uma degradação em torno de 0,45%. Conforme estudo demonstrado no gráfico, resulta que esse módulo fotovoltaico de 645W ~ 665W composto por células de tecnologia PERC, em 30 anos de operação, estará gerando energia com uma capacidade da ordem de 84,95%. A figura 12 ilustra o comportamento de um módulo fotovoltaico composto por células fotovoltaicas N-type i-TOPCon e pudemos observar que essa topologia, tem uma menor perda de eficiência em alta temperatura que às tecnologias Poli e PERC. (Trina Solar, 2024).
Figura 12 – Simulação no PVsyst com módulo composto de tecnologia i-TOPCon. Fonte: Acervo do autor
Nota: (Simulação realizada no PVsyst)
A pesquisa elaborada usando o software PVsyst é possível desvendar que os módulos fotovoltaicos com células de tecnologia N-type i-TOPCon com coeficiente de temperatura da ordem de (-0,29 %/°C) logo tem uma perda de eficiência por alta temperatura da ordem de -9,1%. É nítido que a tecnologia TOPCon tem uma performance melhor para o clima do Brasil comparado com a tecnologia PERC e foi comprovado por meio de estudos como simulações em software específico de sistemas fotovoltaicos, que quanto menor o coeficiente de temperatura, menor será a perda de eficiência em alta temperatura. A figura 13 mostra a curva de performance nos próximos 30 anos da tecnologia N-type i-TOPCon.
Figura 13 – Curva de performance da tecnologia i-TOPCon. Fonte: file:///C:/Users/Usuario/Downloads/Datasheet_Vertex_NEG21C.20_PT_2024_A%20(10).pdf
Nota: Datahseet Trina Solar
Quando esse módulo fotovoltaico é aplicado e entrar em operação com relação a geração de energia, no primeiro ano ele terá uma degradação de aproximadamente 1% e no segundo ano em diante, o mesmo terá uma degradação em torno de 0,4%. Conforme estudo demonstrado em imagem, é possível chegar numa conclusão que esse módulo fotovoltaico da Trina Solar de 695W ~ 720W composto por células i-TOPCon em 30 anos de operação, ainda estará gerando energia com uma capacidade da ordem 87,4%. (Trina Solar, 2024).
Para analisar a geração de energia com os dois sistemas fotovoltaicos de mesma potência composto por tecnologia PERC e i-TOPCon, elaboramos uma tabela de geração no PVsyst. A tabela 14 mostra a geração de energia com tecnologia PERC.
Figura 14 – Geração de energia anual com tecnologia PERC. Fonte: Acervo do autor
Nota: Simulação realizada no PVsyst
Aplicando os módulos fotovoltaicos de tecnologia PERC em um sistema de 4,04 kW e simulando a geração na capital de Cuiabá, obtivemos um total de geração anual de 7303,1 kWh ano. Esse resultado foi gerado pelos módulos fotovoltaicos de tecnologia PERC. A tabela 15 mostra a geração de energia com tecnologia i-TOPCon.
Figura 15 – Geração de energia anual com tecnologia i-TOPCon. Fonte: Acervo do autor
Nota: Simulação realizada no PVsyst
Aplicando os módulos fotovoltaicos de tecnologia i-TOPCon em um sistema de 4,04 kW e simulando a geração na capital de Cuiabá, obtivemos um total de geração anual de 7649 kWh ano. Com essa análise de geração, resulta-se que os módulos fotovoltaicos compostos por tecnologia TOPCon tem melhor performance em alta temperatura. Não basta o módulo ser apenas composto por células de tecnologia TOPCon, é necessário que esses módulos entreguem de fato a energia que está sendo simulada no software PVsyst. A Figura 16 mostra uma análise de curva IV feito em módulo da Trina Solar e o resultado foi positivo.
Figura 16 – Ensaio de curva IV em módulo da Trina Solar. Fonte: Acervo do autor
Nota: Traçador de curva IV da HT
Foi aplicado ensaios em campo com condições de irradiância da ordem de 1010 W/m² e temperatura de 28 °C. É possível analisar conforme figura 16 que esse ensaio de curva IV, aplicado no módulo fotovoltaico, está de acordo com o dataheet do fabricante. Os parâmetros como tensão de circuito aberto Voc, corrente de curto circuito Isc, tensão de operação Vmp e corrente de operação Imp, recolhidos nesse ensaio, está conforme informado pelo fabricante. O Brasil necessita de módulos com boa qualidade, para entregar potência e geração em determinados sistemas fotovoltaicos. Esse ensaio de curva IV é um dos requisitos da norma IEC 61215 e infelizmente, não são todos os fabricantes que segue à risca essa norma.
Hoje o Brasil tem um pouco mais que 34 GW de geração distribuída em energia solar fotovoltaica instalado, conforme dados da ANEEL. A figura 17 mostra os dados da ANEEL em geração distribuída.
Figura 17 – Potência instalada em geração distribuída. Fonte: ANEEL, 2024
Os dados da ANEEL com relação a potência instalada de geração distribuída, vem crescendo de maneira exponencial no Brasil. A energia solar fotovoltaica já está presente em todos os munícipios do Brasil, conforme mapa da ANEEL. A figura 18 mostra os dados da GC no Brasil.
Figura 18 – Potência instalada em geração centralizada. Fonte: ONS, 2024
Os dados do Operador Nacional do Sistema Elétrico (ONS), mostra que o Brasil tem 16 GW de sistemas fotovoltaicos instalado em geração centralizada. Quando se junta os dados de GC + GD resulta-se em 50 GW em sistemas fotovoltaicos instalados no Brasil. É por esses motivos que é necessária tecnologia de alta performance e com qualidade para evitar problemas futuros.
Conclusão
Conclui-se com base nas pesquisas por meio de software de alta precisão que o módulo fotovoltaico composto por células N-type TOPCon obteve melhor performance que a tecnologia de módulo fotovoltaico formado de células com topologia PERC. A tecnologia TOPCon será útil no mercado brasileiro atual. E nos próximos anos, serão utilizados módulos com tecnologia HJT, porém, essa tecnologia vem sendo estudada e tem grandes possibilidades de ser a sucessora da tecnologia N-type TOPCon. O software PVsyst teve uma grande utilidade para essas análises, e com isso, podemos mostrar as vantagens das tecnologias citadas nessa pesquisa. O setor vai continuar crescendo de forma exponencial e necessita-se de produtos de qualidade e que seguem as normas vigentes como IEC 61730-2:2016 e IEC 61215-2:2021. É de extrema importância que os módulos fotovoltaicos sigam essas normas para que de fato, entreguem aquela geração conforme simulada no PVsyst. A portaria 140 /2022 do Inmetro, já entrou em vigor e os módulos fotovoltaicos que entram no Brasil só podem entregar potência positiva. O Brasil alcançou 43 GW em sistemas fotovoltaicos quando se soma geração distribuída com geração centralizada. A energia solar fotovoltaica gera milhares de empregos para os brasileiros e trata-se de uma fonte de energia renovável no qual contribuí para o planeta num todo.
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William Cambuhi de Oliveira é fundador da Célula Energia, Engenheiro de Controle e Automação e pós-graduado em Engenharia Eletrotécnica e Sistemas de Potência pelo UNISAL.
Professor do curso de pós-graduação de Engenharia Eletrotécnica e Sistema de Potência e Energias Renováveis do Centro Universitário Salesiano de São Paulo (Unisal), William é especializado em geração distribuída com ênfase em energia solar fotovoltaica. Como palestrante, participa anualmente dos mais importantes congressos do setor de energia solar do Brasil, além de marcar presença em atividades do setor realizadas em diferentes países da América Latina.
Possui mais de 14 anos de experiência com projetos elétricos em distribuição. Também participa da reunião da ABNT/CB-003/CE 003 082 001 “Sistemas de conversão fotovoltaicas de energia solar”.
William também é autor do livro: Energia Solar Fotovoltaica: Fundamentos, Inovações Tecnológicas e suas Aplicações.
