Como são feitos os painéis solares?

Um novo projeto solar acaba de ser instalado nos EUA.

Defina um cronômetro para 60 segundos e aguarde. Talvez dê um passo para fora e absorva um pouco de luz solar.

Zing! — outro projeto solar acabou de ser instalado.

O sol está brilhando na indústria solar; os números são impressionantes. Hoje, há capacidade solar suficiente nos EUA para abastecer o equivalente a 23 milhões de residências, de acordo com a Solar Energy Industries Association (SEIA). São 126 gigawatts (GW), provenientes de milhões de sistemas solares em todo o país.

A indústria solar dos EUA foi avaliada em US$ 33 bilhões em 2021, empregou mais de 230.000 pessoas e continuou a crescer em capacidade de energia a uma taxa média de 33% ao ano.

Os painéis solares geraram quase 4% da eletricidade nos EUA em 2021, acima dos menos de 1% em 2015. Em alguns lugares, esse número é muito maior; por exemplo, 17% da geração de eletricidade da Califórnia veio da energia solar em 2021. Quase metade de toda a nova capacidade de energia adicionada à rede dos EUA em 2021 veio da energia solar. Ainda mais encorajador, até 2030, a indústria solar pretende gerar quase um terço da eletricidade dos EUA.

Com tantos painéis solares planejados para os próximos anos, você deve estar se perguntando: o que exatamente são painéis solares e como são feitos?

Existem dois tipos de tecnologia solar para geração de eletricidade. Os mais comuns são painéis ou módulos fotovoltaicos (PV), que usam a luz do sol para produzir eletricidade. Outra tecnologia, a energia solar concentrada (CSP), usa o calor do sol.

O tipo mais comum de painel fotovoltaico é feito de silício cristalino (c-SI). Essa tecnologia responde por 84% dos painéis solares dos EUA, de acordo com o Departamento de Energia dos EUA. Outros tipos incluem telureto de cádmio, painéis de cobre, índio e gálio (di) seleneto e película fina de silício amorfo. Como os painéis c-SI compõem a maior parte dos EUA e do mercado global, eu me concentro neles neste blog.

Construir um painel solar de silício cristalino é um pouco como construir um castelo de areia, porque o silício vem da areia! A areia da praia é dióxido de silício, também conhecido como sílica. (Se a patrulha da praia colocasse isso em um sinal de alerta, aposto que ninguém pisaria na praia!). O silício, na forma de areia e cascalho de dióxido de silício, é o segundo elemento mais abundante na Terra, depois do oxigênio.

Antes de ser usado em um painel solar, o dióxido de silício deve ser transformado em puro "silício de grau metalúrgico" (MGS). Esse processo consome muita energia: produzir 1 quilo de silício de grau metalúrgico requer 14-16 kWh de energia, o que equivale aproximadamente a usar o forno doméstico por sete horas. Ainda assim, ao longo de sua vida útil, os painéis solares emitem 25 vezes menos dióxido de carbono equivalente por quilowatt-hora do que a eletricidade movida a carvão.

Intervalo de química! A receita para cozinhar silício de grau metalúrgico é

Adicione 1 parte de dióxido de silício (cascalho) e 2 partes de carbono (proveniente de carvão, carvão vegetal ou lascas de madeira) a um forno de arco elétrico

Aumente o calor para 2200 graus Celsius (isto é um terço da temperatura do sol!!)

Ta-da! Você fica com 99% de silício puro e monóxido de carbono (que vem do carbono que adicionamos, ligado ao oxigênio que removemos do dióxido de silício)

Mas os painéis solares são perfeccionistas; eles exigem que o silício esteja próximo de 100% de pureza. Para conseguir isso, precisamos transformar o silício em um metal de polisilício ainda mais puro, usando um processo que envolve ácido clorídrico e gás hidrogênio. (Curiosidade: cerca de 12% da produção mundial de silício é atualmente transformada em polissilício para painéis solares.)

Depois de adicionar o ácido e o gás, ficamos com pedaços de metal de polissilício, que normalmente são derretidos novamente em um molde cilíndrico de aproximadamente 5 metros de comprimento. O boro é adicionado para dar ao metal uma carga elétrica positiva em um dos lados. O silício quente e derretido esfria e forma uma estrutura monocristalina ("monocristalina") como um lingote cilíndrico. Os lingotes são qualquer material fundido em forma retangular, como barras de ouro.

(Outro processo é usado para fazer wafers de silício "policristalinos", nos quais se formam vários cristais. Esse processo tende a levar a painéis menos eficientes, mas pode reduzir o custo dos wafers.)