Princípio de funcionamento
Princípios teóricos de funcionamento
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- Alguns dos fótons, provenientes da radiação solar, impactam a primeira superfície do painel, penetrando-a e sendo absorvidos por materiais semicondutores, como o silício ou o arsenieto de gálio.
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- Os elétrons, partículas subatômicas que fazem parte do exterior dos átomos, e que estão alojados em orbitais de energia quantizada, são atingidos por fótons (interagem) libertando-se dos átomos aos quais estavam originalmente confinados.
Isso permite que eles circulem posteriormente pelo material e produzam eletricidade. As cargas positivas complementares que são criadas nos átomos que perdem elétrons (semelhantes a bolhas de carga positiva) são chamadas de buracos e fluem na direção oposta à dos elétrons, no painel solar.
Deve-se notar que, assim como o fluxo de elétrons corresponde a cargas reais, ou seja, cargas que estão associadas ao deslocamento real de massa, os buracos, na realidade, são cargas que podem ser consideradas virtuais, pois não implicam deslocamento real de massa.
Um conjunto de painéis solares transforma a energia solar (energia em forma de radiação e que depende da frequência dos fótons) em uma determinada quantidade de corrente contínua, também chamada de DC (sigla para Corrente Contínua e que corresponde a um tipo de corrente elétrica que é descrita como um movimento de cargas em uma direção e apenas em uma direção, através de um circuito. Os elétrons se movem dos potenciais mais baixos para os mais altos).
Opcionalmente:
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- A corrente contínua é levada a um circuito conversor eletrônico (inversor “Inversor (eletrônico)”) que transforma a corrente contínua em corrente alternada, (CA) (tipo de corrente disponível na alimentação elétrica de qualquer residência) de 120 ou 240 volts.
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- A energia CA entra no painel elétrico da casa.
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- A eletricidade gerada é quase sempre distribuída pela linha de distribuição dos dispositivos de iluminação da casa, uma vez que estes não consomem energia excessiva e são adequados para funcionar corretamente com a corrente gerada pelo painel.
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- A electricidade não utilizada pode ser encaminhada e utilizada noutras instalações.
Fotogeração de portadores de carga
Quando um fóton atinge um pedaço de silício, três eventos podem ocorrer:
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- O fóton pode passar pelo material de silício sem produzir nenhum efeito; Isso geralmente ocorre para fótons de baixa energia.
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- Os fótons podem ser refletidos ao atingirem a superfície do painel, e dele serem expelidos.
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- O fóton é absorvido pelo silício, caso em que pode ocorrer o seguinte:
- Produzem pares elétron-buraco, se a energia do fóton incidente for superior ao mínimo necessário para que os elétrons liberados alcancem a banda de condução.
Observe que se um fóton tiver um número inteiro de vezes o salto de energia para o elétron atingir a banda de condução, ele poderá criar mais de um único par elétron-buraco. No entanto, este efeito geralmente não é significativo em células solares. Este fenômeno, de múltiplos inteiros, é explicável através da mecânica quântica e da quantização da energia.
Quando um fóton é absorvido, sua energia é comunicada a um elétron na rede cristalina. Normalmente, esse elétron está na banda de valência e está fortemente ligado em ligações covalentes que se formam entre átomos vizinhos. O conjunto total de ligações covalentes que formam a rede cristalina dá origem ao que é chamado de banda de valência. Os elétrons pertencentes a essa banda são incapazes de se mover além dos limites da banda, a menos que recebam energia, e ainda por cima uma certa energia. A energia que o fóton fornece é capaz de excitá-lo e promovê-lo para a banda de condução, que está vazia e onde pode se mover de forma relativamente livre, utilizando essa banda para se deslocar pelo interior do semicondutor.
A ligação covalente da qual o elétron fazia parte agora tem um elétron a menos. Isso é conhecido como lacuna. A presença de uma ligação covalente perdida permite que os elétrons vizinhos se movam em direção ao interior desse buraco, o que produzirá um novo buraco quando o elétron próximo a ele se mover, e desta forma, e devido a um efeito de translações sucessivas, um buraco pode mover-se através da rede cristalina. Assim, pode-se afirmar que os fótons absorvidos pelo semicondutor criam pares elétron-buraco móveis.
Um fóton só precisa ter uma energia superior à necessária para atingir os buracos vazios da banda de condução do silício, e assim ser capaz de excitar um elétron da banda de valência original para a referida banda.
O espectro de frequência solar é muito semelhante ao espectro do corpo negro quando este é aquecido a uma temperatura de 6.000 K e, portanto, grande parte da radiação que atinge a Terra é composta por fótons com energias superiores às necessárias para atingir as lacunas da banda de condução. Este excesso de energia apresentado pelos fótons, e muito maior do que o necessário para a promoção dos elétrons para a banda de condução, será absorvido pela célula solar e se manifestará em calor apreciável (disperso através de vibrações de rede, chamadas fônons) em vez de energia elétrica utilizável.
Separação de portadores de carga
Existem duas maneiras fundamentais de separar os portadores de carga em uma célula solar:
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- movimento dos portadores, acionado por um campo eletrostático estabelecido através do dispositivo.
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- difusão de portadores de carga de áreas de alta concentração de portadores para áreas de baixa concentração de portadores (seguindo um gradiente de potencial elétrico).
Nas células de junção p-n, amplamente utilizadas atualmente, o modo predominante na separação de portadores é pela presença de um campo eletrostático. No entanto, em células solares nas quais não existem junções pn (típicas da terceira geração de células solares experimentais, como células de película fina de polímero ou células de tinta sensibilizadas), o campo elétrico eletrostático parece estar ausente. Neste caso, o modo dominante de separação é através da difusão de portadores de carga.
Geração atual em uma placa convencional
Os módulos fotovoltaicos funcionam, como foi sugerido na seção anterior, devido ao efeito fotoelétrico. Cada célula fotovoltaica é feita de pelo menos duas finas folhas de silício. Um dopado com elementos com menos elétrons de valência que o silício, chamado P, e outro com elementos com mais elétrons que átomos de silício, chamado N.
Aqueles fótons da fonte de luz que vem do Sol, que possuem energia adequada, atingem a superfície da camada P e, ao interagirem com o material, liberam elétrons dos átomos de silício que, em movimento, atravessam a camada semicondutora, mas não conseguem retornar. A camada N adquire uma diferença de potencial em relação ao P. Se condutores elétricos forem conectados a ambas as camadas e estes, por sua vez, forem unidos a um dispositivo ou elemento elétrico consumidor de energia que é usual e genericamente chamado de carga, uma corrente elétrica contínua será iniciada.
Este tipo de painéis produzem eletricidade em corrente contínua e embora a sua eficácia dependa tanto da sua orientação solar como da sua inclinação em relação à horizontal, as instalações de painéis são normalmente montadas com orientação e inclinação fixas, devido à poupança na manutenção. Tanto a inclinação como a orientação, sul (ou norte no hemisfério sul), são definidas em função da latitude e procurando otimizá-la ao máximo utilizando as recomendações da norma ISO correspondente.
O sindicato p-n
A célula solar mais comum é feita de silício e configurada como uma grande área de junção pn. Uma simplificação deste tipo de placas pode ser considerada como uma camada de silício tipo n diretamente em contato com uma camada de silício tipo p. Na prática, as junções pn das células solares não são feitas da maneira anterior, mas sim pela difusão de um tipo de dopante em uma das faces de um wafer tipo p, ou vice-versa.
Se o pedaço de silício tipo p for colocado em contato próximo com um pedaço de silício tipo n, ocorre a difusão de elétrons da região com altas concentrações de elétrons (a face tipo n da junção) para a região de baixas concentrações de elétrons (face tipo p da junção).
Quando os elétrons se difundem através da junção p-n, eles se recombinam com os buracos na face tipo p. No entanto, a difusão das transportadoras não continua indefinidamente. Essa separação de cargas, criada pela própria difusão, gera um campo elétrico causado pelo desequilíbrio das cargas, interrompendo imediatamente o fluxo subsequente de mais cargas pela junção.
O campo elétrico estabelecido através da criação da junção pn cria um diodo que permite que a corrente flua em uma direção através da junção. Os elétrons podem passar do lado tipo p para o lado n, e os buracos podem passar do lado tipo n para o lado tipo p. Esta região onde os elétrons se difundiram na junção é chamada de região de depleção porque contém apenas alguns portadores de carga móveis. Também é conhecida como região do espaço de carga.