Painel solar: como funciona

O que o modelo mostra

Olhe para um painel solar num telhado ensolarado e parece que nada acontece. Não há zumbido, nada gira, nada se consome. Mesmo assim, um cabo sai da parte de trás do painel até uma caixa na parede, e essa caixa pode ferver água numa chaleira. Esta exposição acompanha a eletricidade no caminho inverso, da chaleira até sua origem: uma camada de silício mais fina que uma unha, instalada sob o vidro.

À esquerda há uma pequena casa de telhado plano com dez painéis sobre dois suportes inclináveis. Um cabo preto leva a corrente contínua deles pela parede da frente até um inversor, e dali um segundo cabo passa pelo medidor até o poste atrás da casa. O sol se move ao longo de seu arco do meio-dia pelo céu ao sul, e as sombras o acompanham. O painel na ponta direita da fileira da frente é aquele que a exposição examina de perto: ele pode ser desmontado, tem uma caixa de junção com diodos de bypass por baixo, e uma folha pode ser colocada sobre uma de suas células.

À direita flutua um corte de uma célula, desenhado milhares de vezes maior que o tamanho real. De cima para baixo, você vê contatos de prata, um revestimento azul-escuro sobre uma superfície trabalhada em minúsculas pirâmides, uma fina camada do tipo n, a junção com seus íons fixos e seu campo elétrico, uma base espessa do tipo p e uma camada de alumínio atrás. Os traços coloridos são fótons. Quando um deles é absorvido, deixa um elétron azul e uma lacuna vermelha, e o campo os separa.

O mostrador indica a luz que chega ao painel, a temperatura da célula, a potência do painel com a folha, a instalação inteira antes e depois do inversor e o calor na célula sombreada. O pequeno gráfico mostra a potência de um painel em função de sua tensão; o ponto vermelho indica onde ele está operando agora, e a curva tracejada clara representa o mesmo painel a 1000 W/m² e 25 °C, para comparação. Os controles deslizantes mudam a altura do sol, a inclinação dos suportes, a temperatura da célula e quanto de uma célula a folha cobre. Um interruptor retira os diodos de bypass.

O painel do modelo é de um tipo comum de 60 células, com células M2 quadradas de 156,75 mm de lado. Seu comportamento elétrico vem de um modelo de um diodo com valores escolhidos para corresponder a painéis monocristalinos comuns: a 1000 W/m² e 25 °C ele fornece 307 W, 18,8 % da luz solar sobre seus 1,63 m². O artigo indica onde o modelo foi simplificado.

Dois tipos de silício no mesmo corte

O silício puro é um mau condutor. Cada átomo compartilha seus quatro elétrons externos com quatro vizinhos e, à temperatura ambiente, pouquíssimos desses elétrons se libertam. Os fabricantes de células mudam isso de propósito. Acrescentam um pouco de fósforo à fina camada superior. O fósforo tem cinco elétrons externos, de modo que cada átomo de fósforo traz um elétron extra que pode circular pelo cristal. Essa camada é chamada de tipo n, de negativo. A base espessa recebe um pouco de boro em vez disso. O boro tem apenas três elétrons externos, de modo que cada átomo de boro deixa uma lacuna nas ligações. Um elétron vizinho pode saltar para essa lacuna, deslocando-a para outro lugar, e assim ela se comporta como uma partícula positiva. Ela recebe o nome de lacuna, e a camada é do tipo p.

Junte as duas camadas e algo acontece imediatamente na fronteira. Elétrons extras do lado n passam para o lado p e preenchem lacunas ali. Isso deixa os átomos de fósforo próximos da fronteira com um elétron a menos, tornando-os íons positivos fixos, e os átomos de boro logo do outro lado com um elétron a mais, íons negativos fixos. No modelo, são as esferas vermelhas e azuis com sinais + e −. Elas não podem se mover porque fazem parte do cristal.

A faixa que perdeu seus elétrons livres e suas lacunas é a região de depleção. Entre seus íons positivos e negativos existe agora um campo elétrico, mostrado pelas setas laranja que apontam do lado n para o lado p. O campo impede a passagem de mais elétrons, de modo que a junção se estabiliza. A PVEducation descreve esse equilíbrio em sua seção sobre a formação de uma junção pn. A junção é a parte da célula que faz a separação, e o restante do corte existe para levar luz até ela e retirar carga dali.

Como um fóton liberta um elétron

A luz vem em pacotes de energia chamados fótons. Para libertar um elétron de uma ligação do silício, um fóton precisa carregar pelo menos a energia da banda proibida do silício, 1,12 elétron-volts. Isso corresponde a um comprimento de onda de cerca de 1107 nm, no infravermelho próximo. Fótons com comprimentos de onda maiores atravessam diretamente a célula. Fótons com comprimentos de onda menores libertam um elétron, e a energia excedente se transforma em calor quase imediatamente. Um fóton azul de 450 nm carrega 2,76 eV, de modo que cerca de 1,64 eV se perde como calor no cristal.

O lugar onde um fóton é absorvido depende de sua cor. A luz azul é absorvida em uma fração de micrômetro, muito perto da superfície. A luz vermelha e a do infravermelho próximo podem penetrar muito mais antes de serem capturadas. No modelo, os traços azuis param na camada n, os verdes na parte superior da base e os vermelhos mais abaixo.

O fóton absorvido deixa um elétron livre para se mover e uma lacuna onde ele estava. Se nada os separar, eles se movem aleatoriamente e, mais cedo ou mais tarde, o elétron volta a cair numa lacuna. Isso é recombinação, e a energia se perde como calor. Portanto, um par criado na base do tipo p precisa se difundir até a junção antes de se recombinar. Assim que alcança a borda da região de depleção, o campo assume o controle. Ele puxa o elétron para cima, para a camada n, e empurra a lacuna para baixo, para a base. Os clarões brancos do modelo são pares que não conseguiram chegar, e há mais deles quando a célula está quente.

O campo transforma pares em corrente

Os elétrons separados se acumulam na camada n, e as lacunas separadas, na camada p. Isso cria uma tensão entre a frente e o verso da célula. Se a frente e o verso forem ligados por um fio, os elétrons saem pelos finos dedos de prata na frente, seguem pela fita, atravessam a carga e retornam ao alumínio no verso, onde preenchem as lacunas que os aguardam. Os pontos azuis no fio do modelo mostram esse fluxo. Quanto mais luz chega, mais pares se formam e maior é a corrente.

Uma única célula fornece uma tensão pequena. Na célula do modelo, ela é de cerca de 0,68 V sem nada conectado e de 0,55 V no ponto de máxima potência, em que a célula fornece 9,26 A e 5,12 W. Por isso um painel coloca 60 células em série: suas tensões se somam, chegando a 33,2 V no ponto de máxima potência e a 40,8 V sem carga.

Os dedos precisam ser finos porque a prata bloqueia a luz. Também precisam ficar próximos uns dos outros, porque a camada n é fina e oferece resistência ao fluxo lateral dos elétrons. O compromisso é um pente de linhas estreitas atravessando a célula, reunidas por três barramentos mais largos. Você pode ver ambos nos painéis do modelo.

Por que as células parecem azul-escuras

O silício polido sem revestimento é cinza brilhante e reflete muita luz. Com índice de refração de cerca de 3,9, uma superfície plana de silício no ar reflete aproximadamente 35 % da luz que a atinge perpendicularmente. Dois recursos reduzem isso. Primeiro, a superfície é texturizada em minúsculas pirâmides. Um raio que reflete numa face geralmente é direcionado à seguinte, ganhando uma segunda chance de entrar. Segundo, a superfície é coberta por um filme transparente fino, normalmente de nitreto de silício. A PVEducation explica como funciona um revestimento de um quarto de comprimento de onda: a luz refletida pelo topo do filme e pelo silício abaixo retorna com diferença de meia onda e se cancela. Para um filme com índice de refração 2,0 e luz de 600 nm, a espessura correta é 600 ÷ (4 × 2,0) = 75 nm. O cancelamento é melhor no meio do espectro, e a pouca luz que ainda retorna é principalmente azul. Essa é a cor de uma célula solar.

Das células ao painel

Um painel envolve as células em camadas que mantêm as intempéries do lado de fora por décadas. O vidro temperado fica por cima, um plástico transparente une as células a ele, e uma película traseira branca fecha o verso. Uma moldura de alumínio mantém esse conjunto unido. Abra a segunda etapa do guia e o painel da direita se separa em camadas para que você possa vê-las.

As 60 células estão ligadas em série, em três grupos de 20. Cada grupo tem um diodo de bypass na caixa de junção do verso. Sob sol normal, os diodos não fazem nada. Eles importam quando uma célula fica sombreada, como explica a seção sobre sombra.

Ângulo do sol e lei do cosseno

A potência da luz solar depende primeiro de quanto ar ela precisa atravessar. A PVEducation apresenta um ajuste simples para o feixe direto: I = 1353 × 0,7^(AM^0,678) W/m², em que AM, a massa de ar, é o comprimento do percurso pela atmosfera comparado ao percurso quando o sol está diretamente acima. O modelo usa a fórmula de Kasten e Young para a massa de ar e acrescenta luz difusa do céu equivalente a 10 % do feixe direto, como a PVEducation sugere para um dia claro. Com o sol diretamente acima, o feixe direto é de 947 W/m². A 30° ele é de 766 W/m² e, a 10°, de apenas 431 W/m², porque a luz atravessa 5,6 vezes mais ar.

O segundo fator é o ângulo em que a luz encontra o painel. Um feixe que chega a um ângulo θ em relação à incidência perpendicular se espalha por uma área maior, de modo que a potência por metro quadrado cai segundo cos θ. Essa é a lei do cosseno. Para um painel voltado na direção do sol, θ é simplesmente 90° menos a altura do sol menos a inclinação, e cos θ é igual a sen(altura do sol + inclinação).

Alguns números do modelo:

As linhas de 29° representam o meio-dia de inverno em Seul, na latitude 37,6° N, onde a altura do sol ao meio-dia varia de cerca de 29° em dezembro a cerca de 76° em junho. Uma inclinação fixa próxima de 30° é um compromisso para o ano inteiro. Em junho, com o sol a 76°, o mesmo suporte de 33° recebe 975 W/m² porque o ângulo é de 19° e o cosseno ainda é 0,95. O cosseno é tolerante perto de zero e severo longe dele, e por isso painéis planos perdem tanto no inverno.

Painéis quentes produzem menos potência

O calor reduz a tensão de uma célula. Conforme ela aquece, mais elétrons e lacunas são criados apenas pelo calor, e a junção deixa vazar mais corrente de volta no sentido errado. A PVEducation indica uma queda na tensão de circuito aberto de cerca de 2,2 mV por °C para o silício e uma perda de potência de 0,4 % a 0,5 % por °C. O modelo usa 2,2 mV por °C e um pequeno aumento de corrente, 0,05 % por °C, e acaba perdendo 0,40 % de sua potência a cada grau.

A 25 °C, o painel fornece 307 W. A 45 °C fornece 282 W e, a 65 °C, 257 W, 16 % menos, com sua tensão de máxima potência caindo de 33,2 V para 27,8 V. Num dia frio e claro a 0 °C, o mesmo painel fornece 338 W. Painéis ao sol ficam muito mais quentes que o ar ao redor. A página da PVEducation sobre temperatura nominal de operação da célula indica 48 °C para um painel típico sob luz de 800 W/m², ar a 20 °C e uma brisa leve, e por isso a produção de um painel no verão costuma ficar abaixo do valor de sua etiqueta.

Uma folha e o diodo de bypass

A sombra prejudica um painel mais do que sua área sugere. Todas as 60 células conduzem a mesma corrente. Cubra uma delas e sua corrente gerada pela luz cai, mas as outras 59 ainda empurram a corrente inteira através dela. A célula sombreada não consegue deixar passar essa corrente no sentido normal, então é forçada a operar no sentido inverso e começa a consumir potência em vez de produzi-la. Esse é o ponto quente sobre o qual a PVEducation alerta.

O diodo de bypass dá à corrente outro caminho. Cada diodo está conectado em paralelo com um grupo de 20 células. Quando uma célula do grupo fica sombreada e a tensão do grupo cairia abaixo de cerca de −0,45 V, o diodo conduz e a maior parte da corrente contorna o grupo. O grupo é retirado do circuito e o painel continua com os outros dois terços.

Com a folha cobrindo uma célula inteira, a 25 °C e sob sol pleno, o modelo fornece estes números. Com os diodos, o painel sombreado entrega 200 W a 21,7 V. Apenas 2,6 A ainda passam pelo grupo sombreado, 6,7 A passam pelo diodo e a célula sombreada transforma 34 W em calor. Sem os diodos, o painel entrega 163 W e toda a corrente da série, 9,2 A, é forçada através da célula sombreada, que fica em sua tensão de ruptura reversa e aquece a 139 W. Alguns centímetros quadrados dissipando tanta potência podem trincar o vidro ou queimar a película traseira.

Os dez painéis estão numa única série, portanto a folha também afeta os outros nove. O inversor procura a tensão na qual a série inteira fornece mais potência. No modelo, a série produz 3,07 kW sem a folha, 2,96 kW com ela e os diodos, e 2,92 kW sem os diodos. Uma célula parcialmente coberta é um caso especial. Com 30 % de cobertura, o diodo apenas começa a conduzir, e a célula ainda é fortemente forçada no sentido inverso, de modo que o modelo mostra 101 W de calor mesmo com o diodo. A sombra parcial de um poste ou de um galho é uma causa conhecida de pontos quentes por esse motivo.

Do telhado à chaleira

Painéis produzem corrente contínua. Casas e a rede elétrica usam corrente alternada. O US Department of Energy descreve o inversor como a caixa que faz essa conversão. Ele também realiza uma segunda tarefa: continua mudando a tensão de operação da série para encontrar o ponto de máxima potência, o ponto vermelho no gráfico. O inversor do modelo perde 3 % e a casa usa 0,5 kW constantes. Na configuração do meio-dia, a instalação fornece 3,07 kW de corrente contínua, o inversor entrega 2,97 kW a 220 V, a casa usa 0,5 kW e 2,47 kW saem pelo medidor.

Um inversor de série é a configuração mais simples, mas a série inteira compartilha uma corrente, de modo que um problema num painel custa parte da produção dos outros. A página do DOE também descreve microinversores, que ficam em cada painel e impedem que um painel sombreado prejudique os demais, a um custo maior.

Até onde vai a eficiência de uma célula?

Algumas perdas não podem ser evitadas numa célula com uma única junção. Fótons abaixo da banda proibida não são absorvidos, e fótons acima dela perdem sua energia excedente como calor. Shockley e Queisser calcularam o melhor desempenho possível de uma junção única em 1961. As tabelas de Rühle de 2016, calculadas para o espectro padrão AM1.5, colocam o máximo em 33,16 % para uma banda proibida de 1,34 eV. Os 1,12 eV do silício ficam um pouco abaixo da melhor banda proibida, e seu limite pelo mesmo raciocínio é próximo de 33 %. O silício real também sofre recombinação Auger, que esses números idealizados deixam de fora.

Os recordes de células reais são mantidos pelo National Laboratory of the Rockies (NLR, anteriormente NREL) em seu Best Research-Cell Efficiency Chart, que inclui apenas resultados confirmados por laboratórios de teste independentes. Na tabela de dados do gráfico, a melhor célula de silício cristalino tem 28,1 %, uma célula de heterojunção com contatos traseiros da Trina Solar medida em março de 2026. Uma camada de perovskita sobre silício alcança 35,2 % (LONGi, fevereiro de 2026), acima do limite de junção única, porque duas junções compartilham o espectro. O maior valor do gráfico é 47,6 % para uma célula de quatro junções do Fraunhofer ISE sob luz concentrada. Células de pesquisa são pequenas e cuidadosamente fabricadas; os 18,8 % do painel do modelo são típicos de painéis em telhados.

O que o modelo deixa de fora

• O controle Altura do sol mantém o sol exatamente ao sul ao meio-dia, com os painéis voltados para ele. A aba Sol e dia o move para sua posição real em qualquer data e horário, mas o modelo do céu continua igual.
• O céu está sempre limpo. Não há nuvens, névoa nem poeira, e a luz difusa é fixada em 10 % do feixe direto.
• A temperatura da célula é definida pelo controle deslizante. Células reais aquecem com a luz e esfriam com o vento.
• Todos os dez painéis têm as mesmas células. Painéis reais diferem em alguns pontos percentuais, o que custa um pouco de potência à série.
• A reflexão no vidro em ângulos rasantes é ignorada, de modo que, com o sol muito baixo, o modelo é generoso demais.
• O corte não está em escala. Uma célula real tem cerca de 0,2 mm de espessura, a camada n tem menos de um micrômetro e a região de depleção é ainda mais fina. Os fótons, elétrons e lacunas são representações; uma célula real sob sol pleno envia cerca de 6 × 10¹⁹ elétrons pelo circuito a cada segundo.
• A perda no inversor é fixada em 3 %, e a carga da casa é constante em 0,5 kW.

Do Bell Labs ao telhado

A história da célula solar da American Physical Society começa em 1839, quando Edmond Becquerel observou uma pequena corrente entre eletrodos metálicos numa solução sob luz. Em 1883, Charles Fritts fez as primeiras células solares de selênio, mas elas transformavam menos de 1 % da luz em eletricidade. Em abril de 1954, Daryl Chapin, Calvin Fuller e Gerald Pearson, do Bell Labs, apresentaram a primeira célula prática de silício. Ela tinha cerca de 6 % de eficiência, e eles a usaram para alimentar uma roda-gigante de brinquedo e um transmissor de rádio. Em poucos anos, células de silício estavam alimentando satélites. A célula deste modelo funciona com a mesma ideia da célula de 1954, uma junção entre silício do tipo n e do tipo p, com 70 anos de aperfeiçoamentos por cima.

Quanta energia um painel de 400 W produz por dia?

Um watt mede potência em um instante; um quilowatt-hora mede energia acumulada ao longo do tempo. Uma potência nominal de 400 W não promete 400 W do nascer ao pôr do sol. Para um exemplo de cálculo, suponha que um telhado voltado ao sul em Seul receba 3,5 kWh/m² de luz solar no plano do painel durante um dia. Esse é um valor didático assumido, não uma média anual medida em Seul nem uma previsão. Dividir pela irradiância de referência de 1 kW/m² fornece 3,5 horas equivalentes de sol pleno. Essas horas condensam a luz solar variável num total de energia; não são o número de horas em que o sol fica acima do horizonte.

Antes das perdas, a estimativa é 0,400 kW × 3,5 h = 1,40 kWh. Para um painel moderno hipotético separado, suponha um coeficiente de temperatura da potência de −0,35 %/°C. Esse coeficiente pertence a este exemplo, não ao painel de 307 W da exposição, cuja resposta é de cerca de −0,40 %/°C. Com células a 45 °C em vez dos 25 °C de referência, o fator de temperatura é 1 − 0,0035 × (45 − 25) = 0,93. A estimativa passa a ser 1,40 × 0,93 = 1,302 kWh de energia em corrente contínua. Aplicar a eficiência assumida do inversor da exposição de 97 % fornece 1,263 kWh de energia em corrente alternada, arredondados para 1,26 kWh.

Esse cálculo trata a temperatura da célula como constante ao longo do dia e ignora perdas na fiação e por sujeira. Na prática, a temperatura muda junto com a irradiância, por isso é preferível um cálculo meteorológico horário. Não aplique novamente a eficiência do painel: a potência de 400 W já inclui a conversão da luz solar em potência elétrica. Para uma instalação real em Seul, substitua 3,5 por uma irradiação no plano dos módulos específica do local e com data, e use o coeficiente do fabricante. Uma medição horizontal de estação meteorológica não é automaticamente a irradiação sobre um telhado inclinado.

Por que uma célula tandem precisa de mais que outro revestimento

O filme antirreflexo azul desta exposição não é outra célula solar. Ele reduz a reflexão, mas não coleta uma corrente separada. Uma célula tandem de perovskita/silício, por sua vez, tem um absorvedor fotovoltaico adicional com sua própria junção elétrica. O absorvedor superior pode aproveitar fótons de maior energia enquanto transmite luz de menor energia ao silício abaixo. Isso divide o espectro entre diferentes bandas proibidas e reduz a perda por termalização que limita uma junção única.

O US Department of Energy descreve as perovskitas de haletos metálicos como absorvedores de filme fino cuja composição pode ser alterada. Sua absorção óptica as torna parceiras úteis para o silício, mas empilhar camadas úteis não basta. Numa célula tandem conectada em série, ambas as subcélulas precisam conduzir a mesma corrente. Uma célula superior que absorve luz demais da que é necessária abaixo pode deixar a inferior sem corrente suficiente. Os contatos transparentes também precisam conduzir sem desperdiçar muita luz.

Portanto, um recorde de eficiência de laboratório responde a uma pergunta mais restrita do que se um produto para telhados está pronto. Compare a área iluminada e se o resultado usou luz solar concentrada antes de comparar percentuais. O encapsulamento e a estabilidade a longo prazo também importam: o DOE identifica a durabilidade e a ampliação da escala de fabricação como desafios persistentes das perovskitas. O gráfico de células de pesquisa mede o desempenho de conversão em condições especificadas; ele não certifica que toda tecnologia ali manterá esse desempenho ao ar livre durante décadas.

Um painel não para no aniversário da garantia

Um céu nublado ainda fornece luz difusa, embora nuvens espessas possam reduzir fortemente a produção. Os controles de céu limpo daqui não conseguem reproduzir um dia encoberto específico. Reduzir a Altura do sol muda ao mesmo tempo o comprimento do percurso atmosférico e o ângulo de incidência, portanto não é um controle de opacidade das nuvens. Da mesma forma, Temperatura da célula muda a resposta elétrica, não o clima. Trate esses ajustes como experimentos distintos, não como maneiras de reproduzir uma previsão local.

O envelhecimento é diferente de uma tarde quente. Grande parte da queda de potência relacionada à temperatura se reverte quando o painel esfria. A degradação de longo prazo pode envolver danos no encapsulamento ou nas conexões elétricas e não se desfaz esperando anoitecer. O Photovoltaic Lifetime Project do NLR relata que módulos frequentemente perdem menos de 1 % de desempenho por ano, ressaltando que mudanças lentas são difíceis de distinguir da incerteza de medição no início da vida útil. Isso não é uma taxa garantida para todo módulo ou clima.

Apenas como exemplo aritmético, suponha um fator constante de retenção anual de 0,995. Após 25 anos, um painel retém 0,995^25 ≈ 0,882, ou 88,2 %, da potência inicial nas mesmas condições de teste. O envelhecimento real não precisa seguir essa curva, e uma falha súbita de componente é diferente da degradação gradual. Uma garantia de desempenho estabelece condições contratuais; não é um temporizador que desliga o silício. Substituir um inversor também não significa necessariamente substituir todos os painéis.

Três comparações na tela

Primeiro ajuste Altura do sol para 60°, Inclinação do painel para 30°, Temperatura da célula para 25 °C e Folha sobre uma célula para 0 %. Mantenha Diodos de bypass ativados. O painel fica perpendicular ao feixe. Mude apenas Inclinação do painel para 0° e compare Potência do módulo. A Altura do sol não mudou, portanto a atmosfera não ficou mais espessa; a diferença vem principalmente da orientação do painel. Para a comparação de inverno, use Altura do sol de 29° e Inclinação do painel de 61°, o ótimo geométrico, em que o feixe encontra o painel perpendicularmente.

Em seguida, restaure os ângulos iniciais e compare Temperatura da célula a 25 °C e a 65 °C. Observe a curva de potência em função da tensão se deslocar para tensões menores. Por fim, restaure 25 °C, cubra totalmente a célula com Folha sobre uma célula e desligue e ligue Diodos de bypass. Compare Calor na célula sombreada e Potência do módulo: recuperar produção útil não significa que a célula sombreada fique fria. Com cobertura parcial, repita a comparação a 30 %. Esses controles mostram por que a proteção de bypass reduz um risco sem tornar toda sombra inofensiva.

Dois picos na curva de potência

Abra a Bancada I-V na aba Controles e o painel será testado como um laboratório o testa. A linha preta é a corrente em função da tensão. Sem nada conectado, o painel fica em sua tensão de circuito aberto, 40,8 V sob sol pleno a 25 °C, e não passa corrente. Coloque os dois cabos em curto e a corrente será de 9,8 A a 0 V. Nenhuma das extremidades fornece potência, porque potência é tensão vezes corrente e uma delas é zero. A linha laranja é esse produto. Ela sobe de zero, atinge o pico de 307 W a 33,1 V e depois cai abruptamente a zero outra vez em 40,8 V. Esse topo é o ponto de máxima potência. O fator de forma o compara com o retângulo 40,8 V × 9,8 A: 307 ÷ 400 ≈ 0,77, que a PVEducation descreve como a medida de quão quadrada é a curva corrente-tensão.

O inversor não sabe onde fica o topo. Precisa encontrá-lo por tentativa. O método mais simples se chama perturba e observa: altere um pouco a tensão, veja se a potência subiu, continue se subiu e inverta o sentido se não subiu. Na bancada, o rastreador começa logo abaixo da tensão de circuito aberto, como muitos inversores fazem de manhã, e avança 1,2 % dessa tensão por vez. Num painel limpo, ele sobe o único pico e depois oscila de um lado para o outro no topo.

Uma folha muda a forma do pico. Cubra 60 % de uma célula e seu grupo de 20 células não conseguirá mais conduzir a corrente inteira. Abaixo de cerca de 3,9 A, a célula sombreada ainda acompanha, de modo que a parte direita da curva quase não muda. Acima disso, a célula sombreada é forçada no sentido inverso até o diodo de bypass de seu grupo entrar em condução, e dali em diante o painel funciona com dois terços de suas células. A curva de potência deixa de ser um único pico. Vindo da direita, o primeiro pico é de 151 W a 38,7 V; o maior é de 200 W a 21,6 V, à esquerda. Um rastreador que começa pela direita sobe o primeiro pico que encontra e para ali, porque cada pequeno passo para longe de 151 W faz a potência cair. Pressione Varredura completa e a bancada testará todas as tensões de 0 a 40,8 V, depois moverá o rastreador para o pico mais alto. A página da PVEducation sobre efeitos de descasamento explica a causa: em células ligadas em série, a célula de menor produção limita todas as outras.

Mude a bancada para a série de dez painéis e a mesma folha quase não aparece. Um grupo contornado de 20 células é 1 parte em 30 das 600 células da série, de modo que ela ainda tem um único pico em cerca de 2,96 kW. O modelo pode sombrear apenas uma célula; num telhado real, vários painéis sombreados em intensidades diferentes podem dar vários picos a uma série.

A visualização Uma célula mostra a densidade de corrente em miliampères por centímetro quadrado, a unidade usada nos relatórios de células de pesquisa. A célula do modelo fornece 39,9 mA/cm² em curto-circuito (9,8 A distribuídos por 245,7 cm²). Abra uma célula recordista no catálogo e sua própria curva será desenhada em cinza ao lado do modelo, construída a partir da tensão de circuito aberto, da densidade de corrente e do fator de forma na tabela de dados do NLR.

Onde está o sol: as equações da NOAA

O controle Altura do sol mantém o sol em seu arco do meio-dia exatamente ao sul. A aba Sol e dia, por sua vez, o coloca onde realmente está para um local, uma data e um horário escolhidos, usando as mesmas equações da calculadora solar do NOAA Global Monitoring Laboratory, baseadas em Astronomical Algorithms, de Jean Meeus.

O cálculo começa pela data. Ela é convertida em dia juliano e depois em séculos julianos desde o meio-dia de 1 de janeiro de 2000. Daí vêm a longitude média e a anomalia média do sol, a equação do centro (a correção para a órbita elíptica da Terra), a longitude aparente do sol e a inclinação do eixo da Terra, atualmente 23,44°. A declinação, o quanto o sol está ao norte ou ao sul do equador, resulta desses dois ângulos. Em 21 de dezembro de 2026, ela é de −23,44°.

A equação do tempo é a diferença entre um relógio de sol e um relógio comum. Em 21 de dezembro, é de +2,1 minutos: o sol está dois minutos adiantado em relação à média do relógio. Seul também fica a 127° leste, 8° a oeste do meridiano de 135° usado por seu fuso horário, e cada grau de longitude corresponde a quatro minutos de tempo. Juntando tudo, o sol cruza o meridiano em Seul às 12:30, não às 12:00. Às 12:00 no relógio, o ângulo horário ainda está 7,5° a leste, o sol está 28,6° acima do horizonte e seu azimute é de 172,2°, 8° a leste do sul exato. A última etapa da NOAA acrescenta o desvio da luz pelo ar, alguns centésimos de grau nessa altura e cerca de meio grau no horizonte. O nascer e o pôr do sol são os instantes em que o centro do sol fica 0,833° abaixo do horizonte, o que fornece 07:43 e 17:17 para Seul naquele dia.

A versão dessas equações na exposição foi conferida com o próprio código da página da NOAA para seis locais e horários, de Seul a Tromsø e Sydney: as elevações e os azimutes concordam com diferença inferior a um décimo de milésimo de grau.

Um dia inteiro de céu limpo

Com a posição do sol conhecida a cada minuto, a energia de um dia é uma soma. A cada cinco minutos, a exposição calcula o feixe direto para aquela altura do sol (a mesma fórmula de massa de ar de antes), o ângulo entre o feixe e o painel, agora incluindo a diferença de azimute, acrescenta 10 % de luz difusa e encontra a potência máxima do painel. O gráfico na aba Sol e dia desenha o resultado de meia-noite a meia-noite, e a área abaixo dele é a energia do dia.

Em 21 de dezembro em Seul, um painel inclinado a 33° e voltado ao sul produz 1,36 kWh num dia claro, e a instalação de dez painéis fornece 13,2 kWh após o inversor. Deitado sobre o telhado, o mesmo painel produz 0,76 kWh. A melhor inclinação para esse único dia é de 62°, quase perpendicular ao sol baixo de inverno, e fornece 1,55 kWh. Em 21 de junho o cenário se inverte: o sol sobe a 76°, um painel de 30° produz 2,37 kWh, e a melhor inclinação para esse dia é de apenas 2°. Uma instalação fixa precisa escolher uma inclinação para o ano inteiro, ficando em algum ponto entre esses dois extremos.

Mova o controle Orientação dos painéis e a instalação gira sobre o telhado. Com inclinação de 30°, uma instalação voltada a leste em Seul produz 54 % da energia da voltada ao sul em 21 de dezembro, mas em junho produz tanto quanto a voltada ao sul, porque o sol de verão nasce a nordeste e passa a manhã diante dela.

Muito ao norte, o dia muda completamente. Em Tromsø, a 69,65° norte, o sol fica abaixo do horizonte o dia inteiro em 21 de dezembro e a instalação não produz nada. Em 21 de junho ele nunca se põe: à meia-noite do relógio local no horário de verão, ainda está 3,7° acima do horizonte norte, e um painel voltado ao sul produz 2,58 kWh, um pouco mais que em Seul, porque o sol permanece no céu por 24 horas.

Seis maneiras de construir uma célula de silício

O corte à direita foi desenhado como a célula clássica: uma lâmina do tipo p, um emissor dopado com fósforo por cima e alumínio sinterizado em todo o verso, que deixa uma camada fortemente dopada chamada campo de superfície traseira. O US Department of Energy observa que essas células com campo de superfície traseira de alumínio (Al-BSF) dominaram o mercado até cerca de 2018, quando os projetos PERC as ultrapassaram, e que outra mudança está em andamento para células do tipo n, como as de heterojunção de silício e TOPCon. A aba Cortes da célula reconstrói o corte para cada projeto.

PERC (célula com emissor e traseira passivados) coloca uma fina camada dielétrica de óxido de alumínio e nitreto de silício no verso. Superfícies de silício expostas são lugares onde elétrons e lacunas se encontram e se perdem; o dielétrico as acalma. Agora o alumínio alcança o silício apenas por pequenas aberturas.

TOPCon (contato passivado por óxido de tunelamento) vai além no verso. O Fraunhofer ISE, onde o contato foi desenvolvido, o descreve como um óxido de tunelamento ultrafino sob uma fina camada de silício dopado; em células industriais, o óxido normalmente tem de 1 a 2 nm de espessura e o polissilício cerca de 80 nm. O óxido é fino o suficiente para deixar os portadores majoritários, aqui elétrons, passarem por tunelamento, enquanto mantém os outros portadores longe do metal. A lâmina é do tipo n e o emissor da frente recebe boro por difusão, de modo que os papéis das camadas se invertem: no corte, as lacunas agora vão aos dedos frontais e os elétrons ao verso.

Células de heterojunção revestem ambas as faces de uma lâmina do tipo n com camadas muito finas de silício amorfo, uma camada não dopada junto à lâmina e uma dopada por fora, seguidas por um óxido condutor transparente, como óxido de índio e estanho. O Forschungszentrum Jülich lista apenas quatro etapas de processo e observa que as camadas amorfas precisam permanecer abaixo de cerca de 200 °C, de modo que a pasta de prata é curada nessa temperatura em vez de ser sinterizada. Suas células de heterojunção perdem menos de 0,3 % de potência por grau de aquecimento, contra aproximadamente 0,4 % para a célula deste modelo.

Células de contato traseiro (IBC, contato traseiro interdigitado) movem todo o metal para o verso. Faixas de silício n+ e p+ se alternam sob a lâmina, cada uma com seu próprio contato, deixando a frente sem dedos que a sombreiem. O Department of Energy as descreve como mais difíceis de fabricar. As melhores células de silício na tabela do NLR, de 28,1 %, combinam essa disposição com camadas de heterojunção.

Perovskita sobre silício empilha uma segunda célula por cima. A perovskita absorve luz azul e verde e fornece uma tensão maior por fóton; a luz vermelha e do infravermelho próximo atravessa até o silício abaixo. As duas células são unidas por uma fina camada de recombinação e conduzem a mesma corrente. No corte, a perovskita é a faixa marrom-escura entre suas camadas de transporte.

O corte exagera todas as camadas. O óxido de tunelamento de uma célula TOPCon real é cerca de cem mil vezes mais fino que a lâmina.

Como ler a tabela de eficiência

O catálogo lista a melhor célula de cada tipo na tabela de dados do NLR (anteriormente NREL), uma entrada por linha do gráfico de eficiência. Cada recorde informa a eficiência, o mês da medição, o grupo que fez a célula e, para a maioria das entradas, o centro de testes independente que o confirmou (ISFH, NREL, Fraunhofer ISE, JRC-ESTI e outros). A tensão de circuito aberto, a densidade de corrente de curto-circuito e o fator de forma, multiplicados, resultam na eficiência: sob a luz padrão de 100 mW/cm², a eficiência em porcentagem é igual a Voc × Jsc × FF. Para 19 dos 27 recordes, a tabela fornece os três, e para 18 deles o produto corresponde à eficiência listada dentro de 2 %. Só esses recebem uma curva na Bancada I-V.

As áreas contam sua própria história. A melhor célula de perovskita, de 28,0 %, tinha 0,051 cm², alguns milímetros de largura. A melhor célula TOPCon, de 26,68 %, era uma lâmina inteira de 350 cm². Recordes com concentradores são medidos sob muitos sóis: a célula de quatro junções de 47,6 % do Fraunhofer ISE funcionou sob luz 665 vezes mais forte que a solar numa célula de 0,0452 cm². Os 18,8 % do painel do modelo correspondem a um módulo inteiro, com moldura, espaços e fitas, sob luz solar comum.

Células solares no espaço e no deserto

As células solares chegaram ao espaço antes de chegar aos telhados. O Vanguard 1, lançado em 17 de março de 1958, foi o primeiro satélite alimentado por energia solar, e a NASA observa que ele ainda é o objeto feito por humanos mais antigo em órbita. A Estação Espacial Internacional carrega 262.400 células em cerca de 2500 m² de painéis; os quatro conjuntos de painéis fornecem de 84 a 120 kW e, enquanto a estação está sob luz solar, cerca de 60 % disso carrega as baterias para a parte escura de cada órbita.

Mais longe do Sol, a luz se enfraquece. Júpiter está cerca de cinco vezes mais longe que a Terra, portanto sua luz solar é cerca de 25 vezes mais fraca. Os três conjuntos de painéis de 9 m da Juno carregam 18.698 células e produziriam cerca de 14 kW à distância da Terra; em Júpiter, o material de imprensa da NASA indica cerca de 400 W. Em Marte, os painéis da InSight produziam cerca de 5000 Wh por dia marciano após o pouso em 2018; na primavera de 2022, a poeira havia reduzido isso a cerca de 500 Wh.

No solo, as maiores usinas são medidas em gigawatts. Al Dhafra, a cerca de 35 km de Abu Dhabi, usa quase 4 milhões de painéis cristalinos bifaciais; sua operadora EWEC lista 1,5 GW de capacidade em corrente alternada, e a desenvolvedora Masdar, 2 GW. Noor Abu Dhabi, em Sweihan, tem cerca de 3,2 milhões de painéis em 7,8 km². Abrir qualquer uma delas no catálogo move a aba Sol e dia para Abu Dhabi, onde o sol ao meio-dia de inverno fica a 42° de altura em 21 de dezembro.