Energia Solar: Como Funciona? – O Efeito Fotovoltaico 23 de Dezembro de 2011 -

O efeito fotovoltaico foi observado pela primeira vez pelo físico francês Alexandre Edmond Becquerel em 1839 (utilizando o primeiro componente eletrônico da história), e confundido com o efeito fotoelétrico. O efeito fotoelétrico foi confirmado por Heinrich Hertz em 1887 (recebendo também o nome de efeito Hertz, que não é muito utilizado), e posteriormente explicado por Albert Einstein, em 1905.

O efeito fotoelétrico é a emissão de elétrons por um material, geralmente métálico, quando exposto à radiação eletromagnética de frequência alta o suficiente para que os seus fótons energizem os elétrons do material. Essa frequência depende do material. O efeito fotovoltaico é o surgimento de uma tensão elétrica em um material semicondutor, quando é exposto à luz visível. Os dois efeitos estão relacionados, mas são processos diferentes. Para entender como funciona o efeito fotovoltaico, devemos conhecer o modelo atômico, que demonstra o comportamento das partículas que compõem um átomo. Mas para simplificar o que precisamos aqui, é necessário saber que os semicondutores tem a banda de valência completamente cheia e a banda de condução vazia, mas o band-gap dos semicondutores é de 1 eV (elétron-volt). Isso faz com que um semicondutor se comporte como um isolante a zero Kelvin mas, com o aumento da temperatura, começam a conduzir eletricidade, agindo como um condutor. Por isso o nome: semicondutor.

Ao receber fótons de radiação eletromagnética com frequência dentro do espectro da luz visível, os elétrons da banda de valência podem saltar pra banda de condução, produzindo uma corrente elétrica no interior da estrutura cristalina do semicondutor. Quando um elétron deixa o seu lugar de origem, fica um buraco que é preenchido por outro elétron, pelo efeito da recombinação. Essa recombinação de elétrons faz com que o cristal fique eletricamente neutro. Um semicondutor puro, que não tem impurezas é chamado de intrínseco.

Para que seja possível aproveitar essa corrente elétrica do interior de um semicondutor intrínseco, é necessário perturbar a sua formação cristalina. Isso é feito adicionando-se elementos químicos que atrapalharão a ligação atômica do semicondutor. Esse processo se chama dopagem. Para exemplificar, vamos detalhar o processo de dopagem do semicondutor de silício: O silício possui quatro elétrons de valência e necessita de mais quatro átomos vizinhos para formar uma ligação covalente. Se inserirmos um elemento de 5 elétrons de valência (ex.: fósforo ou arsênio) o quinto elétron ficará fracamente ligado ao átomo de origem e, quando o semicondutor estiver à temperatura ambiente, esse elétron ficará livre, fazendo com que o cristal de silício dopado com esse material fique negativamente carregado. Esse é um semicondutor do Tipo N.

Se ao silício for adicionado um dopante com 3 elétrons de valência, ficará faltando um elétron na estrutura cristalina. Em temperatura ambiente, com a liberação de elétrons, o semicondutor ficará positivamente carregado se tornando um semicondutor do Tipo P.

Para formar uma célula fotovoltaica (ou um diodo) são unidos os dois tipos de semicondutor. Não área da união, chamada de Junção-PN, os elétrons livres do semicondutor tipo N migrarão para o semicondutor tipo P para ocuparem esses espaços. Essa migração não ocorre indefinidamente, pois forma-se um campo elétrico na área de junção que impede que os elétrons continuem fluindo.

Ao receberem fótons de luz visível os elétrons são energizados, mas não conseguem fluir da camada N para a camada P. Se ligarmos as duas camadas externamente, podemos aproveitar a corrente elétrica que se forma na passagem dos elétrons de uma camada para outra. É assim que funciona uma célula fotovoltaica.

Célula Fotovoltaica de Silício Cristalizado A clássica célula fotovoltaica (solar) é composta de uma lâmina de silício purificado dopada, ao mesmo tempo, com boro e fósforo. A parte dopada com fósforo, do tipo-N, fica exposta ao sol. A parte dopada com boro, do tipo-P, fica na parte inferior da célula, e é maior que o tipo-N. São colocados contatos frontais e traseiros, sendo que os contatos frontais, sobre a parte tipo-N, causam sombra e reflexão, diminuindo a eficiência da célula. Seria teoricamente possível diminuir as perdas por reflexão, diminuindo a quantidade de contatos frontais mas, quanto menos condutores para captar os elétrons liberados pelo efeito fotovoltaico, mais elétrons serão recombinados nos átomos de silício, após perderem a energia adquirida que é transformada em calor, fazendo com que a célula seja ainda mais ineficiente. Temos então uma relação de máxima eficiência, quando a célula tem o máximo possível de contatos frontais, mas ter a menor área possível.

As células fotovoltaicas de silício cristalizado absorvem a radiação solar em uma faixa muito estreita do espectro da radiação. Fótons com energia superior à necessária (próximos à luz ultravioleta, com frequência mais alta) concedem energia em excesso, que será transformada em calor. Fótons com energia inferior à necessária (próximos à luz infra-vermelha, com frequência mais baixa) não concedem energia suficiente para a liberação do elétrons de sua orbita, e essa energia é convertida em calor. Mesmo dentro da faixa aproveitável, apenas uma parte dos fótons têm a energia correta para o efeito e os fótons com mais energia contribuem com mair geração de calor. Com o calor as células fotovoltaicas de silício cristalino perdem eficiência, pois a tensão da célula cai, e portanto a potência que essa pode gerar cai também.

Na área da junção-PN há um gradiente elétrico que contribui para aumentar as perdas na conversão fotovoltaica. Durante a fabricação de um módulo fotovoltaico, a conexão das células fotovoltaicas em série também aumentam as perdas, pois a resistência entre as ligações é somada. No fim das contas, temos o percentual da radiação solar que é aproveitada pelas células fotovoltaicas na tabela abaixo. Os fabricantes trabalham em técnicas de produção aprimoradas que visam diminuir as perdas individuais e coletivas das células, para alcançar a máxima eficiência, que hoje já está em torno de 14%.

É importante não confundir a eficiência das células fotovoltaicas com a eficiência dos módulos fotovoltaicos. Estes têm sua eficiência baseada na sua área total e na potência-pico que conseguem fornecer. A eficiência da célula fotovoltaica determina as dimensões de um módulo fotovoltaico de potência-pico definida, sendo que quanto maior é a eficiência, menor será o tamanho do módulo. Células fotovoltaicas de diferentes processos (Silício Amorfo, CIS/CIGS, CdTe) possuem eficiências diferentes, e trabalham espectros diferentes da radiação solar, além de terem comportamentos diferentes com aumento da temperatura, fazendo com que sejam apropriadas a determinados tipos de instalações fotovoltaicas. Mas isso é assunto para outro artigo.Postado por Ronilson di Souza