CONCEITOS BÁSICOS //

 

     A energia do Sol é transmitida para o nosso planeta através do espaço na foram de radiação eletromagnética. Essa radiação é constituída de onda eletromagnéticas que possuem frequência e comprimentos de onda diferentes.

 

   A energia que uma onda pode transmitir está associada à sua frequência. Quanto maior a frequência, maior a energia transmitida. O comprimento de onda eletromagnética é inversamente proporcional à frequência. Em outras palavras, quanto maior a freqüência da onda, menor o seu comprimento.

 

                                                                                    c = λ . f

 

            Onde:

• c é a velocidade da luz no vácuo (aproximadamente 300.000 Km/s);

• λ é o comprimento da onda eletromagnética expressa em múltiplos de metros;

• f é a frequência da onda eletromagnética (expressa em Hertz [Hz]).

           

        Como a velocidade da luz no vácuo é um constante, temos que λ e f devem ser inversamente proporcional.

 

        A equação a seguir, conhecida como relação de Planck ou equação de Planck- Einstein, mostra a relação entre a frequência e a energia de uma onda eletromagnética:

 

                                                                                    E = h . f

 

       Sendo E a energia da onda (expressa em Joules [J] ou elétrons-volt [eV]), f sua frequência (expressa em Hertz [Hz]) e h uma constante física de proporcionalidade, chamada de constante de Planck, que vale aproximadamente 6,636 . 10-34 [J.s].

       

       As ondas eletromagnéticas ao incidirem sobre determinados materiais, em vez de transmitir calor, podem produzir alterações nas propriedades elétricas ou originar tensões e correntes elétricas. Existem diversos efeitos da radiação eletromagnética sobre os corpos, sendo dois deles o efeito fotovoltaico e o fotoelétrico.

           

    O efeito fotovoltaico, que é a base dos sistemas de energia solar fotovoltaica para produção de eletricidade, consiste na transformação de radiação eletromagnética do Sol em energia elétrica através da criação de uma diferença de potencial, ou uma tensão elétrica, sobre uma célula formada por um sanduíche de materiais semicondutores. Se a célula for conectada a dois eletrodos, haverá tensão elétrica sobre eles. Se houver um caminho elétrico entre os dois eletrodos, surgirá uma corrente elétrica.

 

(COLOCAR FIGURA 2.4 página 41)

 

     O efeito fotoelétrico ocorre em materiais metálicos e não metálicos sólidos, líquidos ou gasosos. Ele ocasiona a remoção de elétrons, mas não é capaz de criar uma tensão elétrica sobre o material. O efeito fotoelétrico é muitas vezes confundido com o efeito fotovoltaico; embora estejam relacionados, são fenômenos diferentes.

           

     O efeito fotovoltaico é o fenômeno físico que permite a conversão direta da luz em eletricidade. Esse fenômeno ocorre quando a luz, ou a radiação eletromagnética do Sol, incide sobre uma célula composta de materiais semicondutores com propriedades específicas.

           

 

CÉLULAS FOTOVOLTAICAS

 

   A figura a seguir ilustra a estrutura a estrutura de uma célula fotovoltaica composta por duas camadas de materiais semicondutores P e N, uma grade de coletores metálicos superior e uma base metálica inferior.

           

     A grade e a base metálica inferior são os terminais elétricos que fazem a coleta da corrente elétrica produzida pela ação da luz. A base inferior é uma película de alumínio ou de prata. A parte superior da célula, que receba a luz, precisa ser translúcida, portanto os contatos elétricos são constituídos na forma de uma fina grade metálica impressa na célula.

       

     Uma célula comercial ainda possui uma camada de material antirreflexivo, normalmente feita de nitreto de silício ou de dióxido de titânio, necessária para evitar a reflexão e aumentar a absorção de luz pela célula.

 

(COLOCAR FIGURA 3.1 página 65)

 

     As camadas semicondutoras da célula podem ser fabricadas com vários materiais diferentes, sendo o mais comum o silício.

           

    Um semicondutor é um material que não pode ser classificado como condutor elétrico nem como isolante. As propriedades de um semicondutor podem ser modificadas pela adição de materiais dopantes ou impurezas.

           

    Uma célula fotovoltaica é composta tipicamente pela junção de duas camadas de material semicondutor, uma do tipo P e outra N. Existem células de múltiplas junções, que possuem um maior número de camadas, entretanto seu funcionamento é idêntico ao das células de duas camadas.

 

    O material N possui um excedente de elétrons e o material P apresenta falta de elétrons. Devido à diferença de concentração de elétrons nas duas camadas de materiais, os elétrons da camada N fluem para a camada P e criam um campo elétrico dentro de uma zona de depleção, também chamada de barreira de potencial, no interior da estrutura da célula.

    

    A figura seguinte ilustra as estruturas moleculares dos materiais P e N. O material P possui menos elétrons do que teria o material semicondutor puro, o que se percebe pela presença de lacunas, portanto é um material positivo. O material tipo N possui elétrons em excesso, o que torna o material negativo, pois o elétron é uma partícula de carga negativa.

 

(COLOCAR FIGURA 3.3 página 66)

 

     Quando duas camadas de materiais P e N são colocadas em contato, formando o que se chama de junção semicondutora, os elétrons da camada N migram para a camada P e ocupam os espaços vazios das lacunas.

           

     A figura a seguir mostra o que aconteceria quando as duas camadas P e N são unidas. A mudança dos elétrons e lacunas de uma camada para outra origina um campo elétrico e cria uma barreira de potencial entre as duas camadas. Os elétrons e lacunas permanecem presos atrás dessa barreira quando a célula fotovoltaica não esta iluminada.

 

(COLOCAR FIGURA 3.4 página 67)

 

     A camada superior de material N de uma célula fotovoltaica é tão fina que a luz pode penetrar nesse material e descarregar sua energia sobre os elétrons, fazendo com que eles tenham energia suficiente para vencer a barreira de potencial e movimentar-se da camada N para a camada P.

    

     Os elétrons em movimento são coletados pelos eletrodos metálicos. Se houver um circuito fechado, os elétrons vão circular em direção aos eletrodos da camada N, formando uma corrente elétrica.

           

      Uma parte dos elétrons acaba sendo aprisionada pelas lacunas que existem na camada N, entretanto uma grande parte deles fica livres para formar a corrente elétricas quando um condutor elétrico forma um circuito entre as duas camadas.

           

     Se não houver caminho entre as duas camadas, os elétrons livres não podem formar uma corrente elétrica. Entretanto, mesmo na ausência de corrente elétrica, percebe-se uma tensão de aproximadamente 0,6 V entre os dois lados da célula, causada pelo campo elétrico da barreira de potêncial.