Célula solar

Uma célula solar é uma fatia fina de semicondutor em que a luz liberta eletrões, que um campo elétrico interno empurra para os contactos sob a forma de corrente, sem peças móveis nem combustível. Os Bell Labs apresentaram a primeira célula de silício utilizável em 1954, e a energia solar forneceu 8,7% da eletricidade mundial em 2025.

O que é

Uma célula solar transforma a luz diretamente em corrente elétrica, sem peças móveis nem combustível. Quase todas são fatias quadradas de silício um pouco mais largas do que uma mão. Cada uma dá cerca de meio volt ao sol, por isso ligam-se dezenas delas por baixo de um vidro para formar um painel, como o de 36 células da prancha.

A data escolhida é abril de 1954, quando os Bell Labs apresentaram uma célula de silício que convertia cerca de 6% da luz solar em eletricidade, o suficiente para alimentar aparelhos a sério. Becquerel já tinha visto a luz produzir corrente em 1839, mas as células de selénio feitas a partir de 1883 ficavam abaixo de 1%.

Como funciona

As células são serradas de um monocristal de silício que cresce a partir do material fundido; hoje uma bolacha tem cerca de 0,14 mm de espessura.

O silício puro conduz mal. A dopagem com um vestígio de fósforo dá-lhe eletrões a mais (tipo n); um vestígio de boro deixa lacunas que se comportam como cargas positivas (tipo p). Uma célula clássica é uma bolacha dopada com boro cuja face da frente é impregnada de fósforo até menos de um milésimo de milímetro. Onde as duas zonas se encontram, eletrões e lacunas anulam-se numa faixa estreita. Ficam cargas fixas que mantêm um campo elétrico permanente através desta junção p-n.

Um fotão com energia suficiente arranca um eletrão à sua ligação no cristal e deixa uma lacuna no seu lugar. Perto da junção, o campo empurra o eletrão para o lado n e a lacuna para o lado p. Os eletrões juntam-se nos dedos da frente, percorrem o circuito exterior, onde acendem uma lâmpada ou carregam uma bateria, e regressam pelo contacto traseiro.

Em vazio, uma célula marca cerca de 0,6 a 0,7 V, e cerca de 0,5 V quando fornece energia. A tensão quase não muda com a luz, mas a corrente acompanha-a: metade da luz, mais ou menos metade da corrente. Em série as tensões somam-se; 36 células trabalham assim a cerca de 17 V, o bastante para carregar uma bateria de 12 V. Em paralelo somam-se as correntes. Uma única célula à sombra trava toda a sua fileira, e é por isso que os painéis trazem díodos de desvio.

O silício deixa passar sem a aproveitar a luz infravermelha acima de cerca de 1,1 micrómetros, e os fotões com energia a mais perdem o excesso em calor. Em 1961, William Shockley e Hans-Joachim Queisser mostraram que estas perdas limitam uma célula de junção única a cerca de um terço da luz solar. O silício tem ainda perdas próprias do cristal, que baixam o seu limite para cerca de 29%; a melhor célula de laboratório atingia 28,1% em 2026. O calor também reduz a produção: uma célula de silício convencional perde cerca de 0,4 a 0,5% da potência por cada grau Celsius, sobretudo porque a tensão desce.

Como fazer

Fabricar células é trabalho de fábrica. Uma pequena instalação de 12 V com painéis comprados, peças compatíveis e as instruções de cada fabricante está, porém, ao alcance de um amador cuidadoso.

Dimensionar o painel. Quatro lâmpadas LED de 5 W acesas 4 horas e um rádio de 10 W durante 2 horas gastam 100 watts-hora (Wh) por dia. Um painel dá mais ou menos a sua potência nominal × as horas de sol pleno equivalentes (a energia solar do dia contada em horas de sol pleno, no mês mais escuro) × 0,7 para calor, pó e cabos. Um painel de 100 W com 3 horas de sol pleno dá cerca de 210 Wh: margem confortável.

Escolher a bateria. Conte com um a três dias encobertos. Uma bateria de chumbo dura mais se raramente descer abaixo de metade. Uma de lítio-ferro-fosfato pode ser usada quase por inteiro, mas só com a sua eletrónica de gestão e um regulador configurado para lítio; a maioria não pode ser carregada abaixo de 0 °C. Dois dias de 100 Wh tirados de uma bateria de chumbo de 12 V usada até metade exigem pelo menos 33 Ah: escolha 40 Ah.

Painel, regulador e bateria, com o fusível no cabo positivo junto à bateria.

Instalar um regulador de carga. Nunca ligue um painel diretamente a uma bateria. O regulador doseia a carga para que a bateria nunca fique sobrecarregada e depois mantém-na cheia, e os aparelhos ligados à sua saída de consumo são desligados antes de ela se esvaziar. Um regulador PWM simples deve aguentar pelo menos 1,25 vezes a corrente de curto-circuito do painel. Num modelo MPPT, compare os seus limites de tensão, corrente e potência com a ficha técnica do painel, sabendo que a tensão em vazio sobe com o frio.

Fusível e cabos. Coloque no cabo positivo, encostado à bateria, um fusível próprio para corrente contínua. O seu calibre deve ser inferior ao que o cabo aguenta e superior à corrente normal mais alta, e tem de conseguir cortar a corrente enorme que uma bateria dá em curto-circuito. A 10 A, um painel a 5 m (10 m de cobre) perde cerca de 0,3 V num cabo de exterior de 6 mm²; um fio mais fino perde mais.

Montar e limpar. Vire o painel para o equador, sem sombra nas horas centrais do dia, inclinado mais ou menos como a latitude do lugar para uso todo o ano. Lave o pó com água e uma escova macia. Um inversor pode transformar os 12 V em tensão da rede, tão perigosa como a própria rede.

Medir uma célula. Ao sol, leia a tensão de uma célula pequena na posição de volts em contínua de um multímetro. Passe depois para amperes em contínua, mude o cabo vermelho para a entrada de 10 A e toque nos terminais da célula: lê assim a sua corrente de curto-circuito. Confirme antes que a corrente indicada na célula fica muito abaixo do limite de 10 A do multímetro, e mantenha as pontas só alguns segundos. À sombra, a tensão quase não se mexe e a corrente cai. Volte a pôr o cabo vermelho na entrada dos volts e nunca meça assim a corrente de uma bateria.

Segurança. Um painel produz tensão assim que a luz lhe chega: cubra-o durante a cablagem. A corrente contínua pode manter um arco quando se desliga um conector em carga; para mexer na instalação, cubra o painel, desligue primeiro o painel e por último a bateria, e volte a ligar pela ordem inversa. Um curto-circuito nos terminais de uma bateria funde ferramentas e provoca incêndios, e o fusível não impede o de uma chave pousada sobre os dois terminais: ferramentas isoladas e tampas nos terminais. Ao carregar, as baterias de chumbo libertam hidrogénio: areje, nada de faíscas, óculos de proteção. Num telhado, arnês e ponto de ancoragem, ou chame profissionais. Tudo o que estiver ligado à rede, incluindo inversores, é trabalho para um eletricista qualificado.

História e evolução

Em 1839, Edmond Becquerel, com 19 anos, iluminou elétrodos revestidos de cloreto de prata mergulhados num ácido e mediu uma corrente fraca. Em 1873, o engenheiro inglês Willoughby Smith, ao testar cabos telegráficos submarinos, reparou que o selénio conduz melhor à luz; em 1883, o americano Charles Fritts fez células de selénio sob uma folha de ouro tão fina que deixava passar a luz. Em 1905, Albert Einstein explicou que a luz chega em pacotes cuja energia depende da sua cor.

Em 1940, Russell Ohl, nos Bell Labs, verificou que uma amostra de silício com fósforo de um lado e boro do outro dava corrente à luz: a primeira junção p-n, com um rendimento de cerca de 1%. Em 1953, o seu colega Daryl Chapin procurava alimentar equipamento telefónico isolado e só conseguia 0,5% com selénio. O silício dopado de Calvin Fuller e Gerald Pearson saiu-se muito melhor, e a célula apresentada a 25 de abril de 1954 fez girar uma roda-gigante de brinquedo.

Vanguard 1, 1958: seis pequenos painéis de células solares numa esfera com cerca de 16 cm de diâmetro.

As primeiras células de silício eram caras demais para o uso corrente, e o seu primeiro cliente fixo foi o espaço. O Vanguard 1, lançado em março de 1958, levava seis pequenos painéis de 18 células cada: o emissor a pilhas calou-se em junho de 1958, o solar emitiu até maio de 1964. Com o crescimento das fábricas, o preço dos módulos desceu de cerca de 132 dólares por watt em 1975 para 0,27 dólares em 2024 (em dólares de 2025). Hoje a maioria das células parte de bolachas dopadas com fósforo, com o boro na face da frente. Em 2025, os painéis solares produziram 8,7% da eletricidade mundial, segundo a Ember (abril de 2026).