Como Funciona

Como a Célula Fotovoltaica Funciona

O efeito fotovoltaico é o processo físico pelo qual uma célula fotovoltaica converte luz solar em eletricidade. A luz solar é composta de fótons, ou partículas de energia solar. Estes fótons contém grande quantidade de energia, correspondente aos diferentes comprimentos de onda do espectro solar. Quando os fótons colidem com uma célula fotovoltaica, eles podem ser refletidos ou absorvidos, ou mesmo atravessar direto a célula. Somente os fótons absorvidos geram eletricidade. Quando isto acontece, é transferida a energia do fóton a um elétron em um átomo da célula (que é de fato um semicondutor). Com essa nova energia, o elétron sai de sua posição original no átomo para tornar parte da corrente, em um circuito elétrico. Deixando sua posição inicial, o elétron deixa uma "lacuna" para que outro elétron a ocupe. Propriedades especiais da células fotovoltaica (um campo elétrico nela embutido) fazem com que a correte produza uma DDP para que haja corrente em uma carga externa (como uma lâmpada incandescente, por exemplo).

Átomo de Silício Semicondutor Faixa de Condução
Eficiência Absorção  

 

O Átomo de Silício

Toda a matéria é composta de átomos. Atómos, por sua vez, são compostos de prótons positivamente carregados, elétrons negativamente carregados e neutrons, neutros. O número igual de elétrons e protons torna um átomo eletricamente neutro. A energia de cada elétron depende de sua órbita. Elétrons mais afastados do núcleo possuem mais energia que os elétrons mais próximos do núcleo. O átomo de silício tem 14 elétrons, porém, somente os 4 últimos da camada de valência podem ser compartilhados. Estes quatro últimos elétrons apresentam um papel importante no efeito fotovoltaico.

Semicondutor tipo-N, tipo-P e o Campo Elétrico

Para induzir o campo elétrico dentro de uma célula fotovoltaica, são intercalados dois semicondutores separados. O "tipo N" e o "tipo P". Embora ambos os materiais sejam eletricamente neutros, o silício tipo-n tem elétrons em excesso e o tipo-p tem lacunas em excesso. Intercalando estes, cria-se uma junção P-N e cria-se um campo elétrico deste modo.

Quando estes dois semicondutores são intercalados, os elétrons em excesso do tipo-n fluem para o semicondutor do tipo-p, e os elétrons que deixaram o tipo-n criam então lacunas no mesmo. (O conceito de uma lacuna mover-se é como o de uma bolha em um líquido. Embora seja o líquido quem esteja se movendo de fato, é mais fácil descrever o movimento da bolha). Pelo fluxo de elétrons e lacunas, os dois semicondutores agem como uma bateria e criam um campo elétrico na junção P-N. É este campo que fazem os elétrons saltar para a superfície e os faz disponíveis para o circuito elétrico. No mesmo instante, as lacunas se movem para a direção oposta, para a superfície positiva onde elas esperam elétrons livres.

 

A Faixa de Condução

Nem todos os fotons da luz solar que entram na célula fotovoltaica possuem um nível de energia suficiente para deixar elétrons livres dentro da célula e gerar corrente elétrica. Este nível de energia, conhecido como "band-gap" é a energia necessária para quebrar ligação covalente do elétron e permitir que ele faça parte de um circuito elétrico (corrente). Fotons com quantidade de energia maior que a da band-gap podem gastar energia extra em forma de calor. Assim, é importante que uma célula fotovoltaica esteja ajustada (por modificações leves na estrutura da molécula do metal semicondutor) de modo a maximizar a energia do foton. Afinal, uma chave para obter um célula eficiente é converter o máximo de energia luminosa em energia elétrica.

Semicondutores usando em células fotovoltaicas tem energia band-gap que varia na ordem de 1.0 a 1.6 elétron-volt (eV). Isto devido ao fato que esta faixa de eV é a ideal para que não haja grandes perdas de calor. Por exemplo, a energia de band-gap do silício cristalino é de 1,1 eV.

A energia do foton de luz, também medida em eV, varia de acordo com os comprimentos de onda diferentes da luz. O espectro inteiro de luz solar, de infra-vermelho para ultravioleta, tem um alcance de cerca de 0.5 eV para aproximadamente 2.9 eV. Por exemplo, a luz vermelha tem uma energia de cerca de 1.7 eV, e a luz azul tem uma energia de cerca de 2.7 eV. Aproximadamente 55% da energia de luz solar não podem ser usados pela maioria das células fotovoltaicas.

 

A Eficiência da Conversão

A eficiência da conversão luz/eletricidade de uma célula fotovoltaica é a proporção de energia de luz solar que a célula converte a energia elétrica. Isto é muito importante quando discutivos dispositivos fotovoltaicos, porque melhorando esta eficiência podemos fazer com que estes dispositivos tornem-se mais competitivos com as demais fontes de energia.. Naturalmente , se um painel solar eficiente pode prover tanta energia quanto dois painéis menos eficientes, então o custo daquela energia será reduzido. É óbvio que do outro lado desta equação está o dinheiro gasto para a fabricação.

 

Absorção e Condução

Em uma célula fotovoltaica, os fótons são absorvidos pela parte "P" do semicondutor. É muito importante "afinarmos" o semicondutor tipo-p com as propriedades do fótons que irão entrar na célula afim de "livrar-mos" o máximo de elétrons possíveis. Outro desafio é impedir que os elétrons se encontrem com as lacunas e se recombinem antes deles "escaparem" da célula. Para impedir isto, projetamos o material de forma que os elétrons sejam "liberados" o mais próximo possível da junção, de forma que o campo elétrico possa ajudar a enviá-los para a parte tipo-p e para fora do circuito elétrico. Maximizando todas estar características, nós melhoramos a eficiência de conversão da cela de PV.

Para fazer uma célula solar eficiente, tentamos maximizar a absorção, minimizando a reflexão e recombinação, e assim maximizamos a condução.