História e Evolução da Energia Fotovoltaica

O efeito fotovoltaico foi observado pela primeira vez em 1839 por Edmond Becquerel, que verificou que placas metálicas, de platina ou prata, mergulhadas num eletrólito, produziam uma pequena diferença de potencial quando expostas à luz [1].

Mais tarde, em 1877, dois inventores norte-americanos, W. Day, utilizaram as propriedades fotocondutoras do selénio para desenvolver o primeiro dispositivo sólido de produção de eletricidade por exposição à luz [2]. Apesar da baixa eficiência de conversão, da ordem de 0,5%, nos finais do século XIX o engenheiro alemão Werner Siemens (fundador do império industrial com o seu nome) comercializou células de selénio como fotómetros para máquinas fotográficas.

A história da energia fotovoltaica teve de esperar pelos grandes desenvolvimentos científicos da primeira metade do século XX, nomeadamente a explicação do efeito fotoelétrico por Albert Einstein em 1905, o advento da mecânica quântica e, em particular, a teoria de bandas e a física dos semicondutores, assim como as técnicas de purificação e dopagem associadas ao desenvolvimento do transístor de silício: sem a ciência moderna, seria impensável o nascimento da energia solar elétrica. Na região onde o silício “tipo n” fica em contacto com o silício “tipo p”, a “junção p-n”, surge um campo elétrico permanente. Morton Prince, um outro físico dos Bell Labs, conta numa entrevista [3] como Pearson ficou surpreendido com a descoberta e o chamou ao laboratório para que testemunhasse as medidas, assinando o seu caderno de laboratório. Chapin ensaiara células solares de selénio, conhecidas há muito, mas com resultados dececionantes: a eficiência máxima que conseguira era bem inferior a 1%. Ensaiando a nova célula, Chapin e Pearson verificaram que a eficiência de conversão era de cerca de 4%, muitas vezes maior do que a melhor célula de selénio.

Continuando o estudo da nova célula, rapidamente o grupo encontrou vários obstáculos. Por um lado, a célula revelava uma resistência-série muito significativa, devida à dificuldade em soldar contactos elétricos ao material. Porém, o problema dos contactos persistia. As novas células podiam agora ser facilmente soldadas e revelaram uma eficiência recorde, atingindo 6%. Perante estes resultados, e depois de o Pentágono ter autorizado a sua publicação, a primeira célula solar foi apresentada na reunião anual da National Academy of Sciences, em Washington, e anunciada numa conferência de imprensa no dia 25 de abril de 1954. Os resultados foram promissores, embora o painel tivesse ficado rapidamente coberto por uma massa opaca de fezes ornitológicas! Depois desta demonstração de fiabilidade, durabilidade e baixo peso, o programa espacial norte-americano adotou as células solares como fonte de energia dos seus satélites.

O desenvolvimento de células solares cada vez mais eficientes para utilização no espaço levou a alguns avanços tecnológicos importantes na década que se seguiu. É o caso da substituição, a partir de 1960, do contacto frontal único por uma rede de contactos mais finos mas espalhados, reduzindo a resistência-série e aumentando a eficiência [7]. Mais tarde, verificou-se que o silício do tipo p é mais resistente à radiação pelo que, depois da descoberta das cinturas de radiação de Van Allen, em 1960, o programa espacial norte-americano começou também a desenvolver células em substrato do tipo p [8]. Mas, se o desenvolvimento das células solares nos anos sessenta foi sobretudo motivado pela corrida ao espaço, o que levou a células mais eficientes mas não necessariamente mais económicas, foi nessa década que surgiram as primeiras aplicações terrestres. Este tipo de aplicações muito específicas eram então as únicas economicamente interessantes devido à inexistência de fontes de energia alternativas à eletricidade solar. Algumas das tecnologias financiadas por estes programas revolucionaram as ideias sobre o processamento das células solares. O resultado de todos estes avanços foi a redução do custo da eletricidade solar de 80 $/Wp para cerca de 12 $/Wp em menos de uma década.

Foi do resultado de iniciativas de estímulo ao mercado fotovoltaico, como por exemplo a lei das tarifas garantidas na Alemanha, que resultou o crescimento exponencial do mercado da eletricidade solar verificado no final dos anos noventa e princípios deste século: em 1999 o total acumulado de painéis solares atingia a fasquia do primeiro gigawatt, para, três anos depois, o total acumulado ser já o dobro.

Entretanto, o desenvolvimento tecnológico do fotovoltaico não para. Prevendo um crescimento do mercado semelhante ao dos últimos anos (superior a 30% por ano) e uma redução nos custos proporcional ao crescimento de painéis instalados, a EPIA antecipa que em 2020 cerca de 1% da eletricidade consumida mundialmente será de origem fotovoltaica, elevando-se essa fração para cerca de 26% em 2040 [19]. Destaque-se ainda o desenvolvimento de novas técnicas de soldadura dos contactos elétricos entre células individuais que hoje limitam fortemente a automatização dos processos de montagem de painéis solares.

Se à sombra da corrida ao espaço, os primeiros 25 anos de vida da célula solar assentaram na procura de maiores eficiências, o choque petrolífero e a perceção...