Funcionamento - Células Fotovotáicas

1. Introdução

A exploração intensa das reservas esgotáveis de combustíveis fósseis e os danos causados ao meio ambiente apresentam um cenário preocupante para o próximo século. Nesse contexto assume crucial importância a busca de fontes alternativas de energias renováveis e não poluentes, como a solar.

Vários países investem nas aplicações da energia solar, analisando desde as características do fluxo de radiação solar que chega a terra até a tecnologia necessária para viabilizar, em termos técnicos e econômicos, o máximo aproveitamento dessa energia.

O Brasil também busca soluções para o futuro, elaborando estudos para avaliar a eficácia de pequenos módulos solares, em regiões remotas e o mapeamento do potencial energético solar existente no país, para estabelecer uma política nacional ao setor.

Para a complementação da energia hidrelétrica é necessária uma fonte energética com várias características particulares: limpa (não poluente), não escassa, distributiva e que possa ser usada em residências, indústrias e em estabelecimentos comercias. Uma das que possui todas essas características é a energia elétrica fotovoltaica.

Examinaremos as células solares para aprender como elas convertem a energia do Sol diretamente em eletricidade. No processo, você aprenderá a razão pela qual estamos nos aproximando da energia solar diariamente e por que ainda precisamos pesquisar mais antes que o processo se torne economicamente viável.

2. Estrutura

O Painel fotovoltaico, sistema que converte a luz da emissão solar em energia elétrica, é considerado ambientalmente responsável por extrair energia de uma fonte renovável (a luz solar) e não emitir dióxido de carbono (CO2) em seu funcionamento.

O painel é composto de quatro camadas de material, na seguinte ordem, a partir do lado exposto ao sol: uma peça de vidro plano, uma película anterrefletiva (para minimiza a luz refletida pelo vidro e que não pode ser aproveitada), a célula solar, e uma camada de fundo (vidro ou poliéster). Camadas de EVA podem ser usadas para proteção e vedação do sistema. E dando estrutura: grade de material rígido e condutor, como o alumínio. Veja a estrutura de uma célula (figura 1).

Figura 1

3. Funcionamento

As células solares das calculadoras e satélites são células ou módulos fotovoltaicos (módulos são simplesmente um grupo de células conectadas eletricamente e reunidas em uma estrutura). Fotovoltaica, como diz a palavra (foto = luz, voltaica = eletricidade), converte a luz do Sol diretamente em eletricidade. Antes usadas quase que exclusivamente no espaço, as células fotovoltaicas são cada vez mais usadas de modos menos exóticos. Elas podem até mesmo abastecer uma casa de energia. Como esses dispositivos funcionam?

Células fotovoltaicas (FV) são feitas de materiais especiais chamados de semicondutores, como o silício, que é atualmente o mais comum. Basicamente, quando a luz atinge a célula, uma certa quantidade dela é absorvida pelo material semicondutor. Isso significa que a energia da luz absorvida é transferida para o semicondutor. A energia arranca os elétrons fracamente ligados, permitindo que eles possam fluir livremente. As células FV também possuem um ou mais campos elétricos que forçam os elétrons livres, pela absorção da luz, a fluir em um certo sentido. Este fluxo de elétrons é uma corrente; e pondo contatos de metal na parte superior e na parte inferior da célula FV, podemos drenar esta corrente para usá-la externamente. Por exemplo, a corrente pode abastecer uma calculadora. Essa corrente, juntamente com a voltagem da célula (que é um resultado de seu(s) campo(s) elétrico(s) embutido(s)), define a potência que a célula pode produzir.

Este é o processo básico, mas realmente há muito mais sobre isso. Vamos dar uma boa olhada em um exemplo de célula fotovoltaica: a célula de silício monocristalino.

O silício tem algumas propriedades químicas especiais, principalmente em sua forma cristalina. Um átomo de silício tem 14 elétrons, organizados em três camadas diferentes. As duas primeiras camadas, aquelas mais próximas do centro, estão completamente cheias. Já a camada mais externa é preenchida pela metade, tendo apenas quatro elétrons. Um átomo de silício sempre vai procurar modos de completar até sua última camada, que gostaria de ter oito elétrons. Para fazer isso, ele vai partilhar os elétrons com quatro de seus átomos vizinhos de silício. É como se cada átomo estivesse de mãos dadas com seus vizinhos, exceto que, neste caso, cada átomo tem quatro mãos dadas para quatro vizinhos. É isso que forma a estrutura cristalina, importante para este tipo de célula FV.

Acabamos de descrever o silício cristalino puro. O silício puro é um mau condutor de eletricidade, porque nenhum de seus elétrons está livre para se mover. Bons condutores, como o cobre, têm elétrons livres. No silício os elétrons estão todos presos à estrutura cristalina. O silício em uma célula solar é levemente modificado para que a célula funcione como deveria.

Uma célula solar tem silício com impurezas: outros átomos misturados com os átomos de silício, mudando um pouco a forma das coisas. Geralmente pensamos nas impurezas como algo indesejável, mas em nosso caso, nossa célula não funcionaria sem elas. Estas impurezas são na verdade colocadas ali de propósito. Considere o silício junto com alguns poucos átomos de fósforo, talvez um para cada milhão de átomos de silício. O átomo de fósforo tem cinco elétrons em sua camada externa, não quatro. Ele ainda se conecta com seus átomos de silício vizinhos, mas de certo modo, o fósforo tem um elétron que não se conecta. Ele não faz parte de uma ligação, mas há um próton positivo no núcleo do fósforo que o mantém no lugar.

Quando energia é adicionada ao silício puro, por exemplo, na forma de calor, ela pode causar a liberação de alguns elétrons de suas ligações, e eles deixam seus átomos. Um buraco é deixado para trás em cada caso. Estes elétrons, então, vagam aleatoriamente ao redor da distribuição dos átomos do cristalino, procurando outro buraco no qual “entrar”. Esses elétrons são chamados de portadores livres e podem carregar a corrente elétrica. Há alguns deles no silício puro, o que não os torna lá muito úteis. Nosso silício impuro com átomos de fósforo misturados é uma outra história. Acontece que ele toma muito menos energia para liberar um dos nossos elétrons "extras" do fósforo porque eles não estão conectados por uma