Efeito Fotovoltaico

No post de hoje falaremos sobre o efeito fotovoltaico, que é o fenômeno que explica o funcionamento dos dispositivos fotovoltaicos e é responsável pela conversão direta da radiação solar em energia elétrica.

O efeito fotovoltaico foi descrito pela primeira vez em 1839 por Alexandre-Edmond Becquerel, quando constatou o aparecimento de uma diferença de potencial entre eletrodos imersos em uma solução ácida.

Quando um fóton incide sobre um material semicondutor, ele pode ser absorvido, refletido ou transmitido. Caso seja absorvido por um elétron na banda de valência, é possível que o elétron salte para a banda de condução caso a energia fornecida pelo fóton ao elétron seja maior que o gap do material semicondutor. Na banda de condução o elétron pode se movimentar livremente. Dessa forma, quando um fóton é absorvido um elétron é desprendido do átomo. O elétron pode ser removido por um campo elétrico através da frente e de trás do material fotovoltaico, e isso é alcançado com a ajuda da junção pn. Na ausência do campo elétrico, o elétron se recombinaria com o átomo, enquanto que na presença do campo o elétron flui, criando uma corrente. Se a energia do fóton é menor que a energia da banda proibida, o elétron não terá energia suficiente para saltar para a banda de condução, de modo que esse excesso de energia será convertido em energia cinética, gerando um aumento de temperatura.

Nota-se que, independentemente da intensidade do fóton absorvido em relação à energia da banda proibida, apenas um elétron é libertado. Esta é a razão da baixa eficiência das células fotovoltaicas.

As células fotovoltaicas contêm uma junção de um semicondutor do tipo p e do tipo n, isto é, uma junção pn. Até certo ponto, elétrons e lacunas se difundem através dos limites da junção, criando um campo elétrico através dela. Os elétrons livres são gerados na camada n pela ação dos fótons. Quando fótons de luz solar atingem a superfície de uma célula fotovoltaica e são absorvidos pelo semicondutor, alguns destes fótons criam pares elétron-lacuna. Se estes pares estiverem suficientemente próximos à junção pn, o campo elétrico causa a separação das cargas: elétrons movem-se em direção ao lado do tipo n e as lacunas para o lado tipo p. Se os dois lados da célula estiverem conectados a uma carga uma corrente elétrica surgirá enquanto houver fótons incidindo sobre a célula.

O silício possui banda proibida de 1,11 eV. Por meio de equações constatou-se que fótons com comprimento de onda menores que 1,12 μm são úteis para a criação dos pares elétron-lacuna e, consequentemente, eletricidade. As células fotovoltaicas geram tensão na ordem de 0,6 V quando expostas à radiação solar e, neste caso, é necessário um arranjo de diversas células em série e em paralelo que formam o módulo fotovoltaico para que se obtenham valores de tensão e corrente necessários para operar equipamentos elétricos.

Um arranjo fotovoltaico é determinado quando um conjunto de módulos fotovoltaicos são interligados eletricamente, provendo energia a uma única saída de corrente contínua.

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