quarta-feira , junho 3 2020

Como funcionam as Células Solares

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Você provavelmente já viu calculadoras com células solares – dispositivos que nunca precisam de baterias e, em alguns casos, nem têm um botão de desligar. Contanto que haja luz suficiente , eles parecem funcionar para sempre. Você também pode ter visto painéis solares maiores, talvez em sinais de trânsito, caixas de chamada, bóias e até em estacionamentos para alimentar as luzes.

Embora esses painéis maiores não sejam tão comuns quanto as calculadoras movidas a energia solar, eles estão por aí e não são tão difíceis de detectar se você souber onde procurar. De fato, a energia fotovoltaica – que já foi usada quase exclusivamente no espaço, alimentando os sistemas elétricos dos satélites desde 1958 – está sendo cada vez mais usada de maneiras menos exóticas. A tecnologia continua aparecendo em novos dispositivos o tempo todo, de óculos de sol a estações de carregamento de veículos elétricos.

Como funcionam as Células Solares

A esperança de uma “revolução solar” está flutuando há décadas – a idéia de que um dia todos nós usaremos eletricidade gratuita do sol . Essa é uma promessa sedutora, porque em um dia ensolarado e brilhante, os raios solares emitem aproximadamente 1.000 watts de energia por metro quadrado da superfície do planeta. Se pudéssemos coletar toda essa energia, poderíamos facilmente abastecer nossas casas e escritórios de graça.

Neste artigo, examinaremos as células solares para aprender como elas convertem a energia do sol diretamente em eletricidade. No processo, você aprenderá por que estamos nos aproximando do uso diário da energia solar e por que ainda temos mais pesquisas a fazer antes que o processo se torne econômico.

Células Fotovoltaicas: Convertendo Fótons em Elétrons

As células solares que você vê nas calculadoras e satélites também são chamadas de células fotovoltaicas (PV), que, como o nome indica (foto significa “luz” e voltaica significa ” eletricidade “), convertem a luz solar diretamente em eletricidade. Um módulo é um grupo de células conectadas eletricamente e empacotadas em um quadro (mais conhecido como painel solar), que pode ser agrupado em matrizes solares maiores, como a que opera na Base Aérea Nellis, em Nevada.

As células fotovoltaicas são feitas de materiais especiais chamados semicondutores, como o silício, que atualmente é mais comumente usado. Basicamente, quando a luz atinge a célula, uma certa porção dela é absorvida dentro do material semicondutor. Isso significa que a energia da luz absorvida é transferida para o semicondutor. A energia derruba os elétrons, permitindo que eles fluam livremente.

As células fotovoltaicas também possuem um ou mais campos elétricos que atuam para forçar os elétrons liberados pela absorção de luz a fluir em uma determinada direção. 

Esse fluxo de elétrons é uma corrente e, ao colocar contatos de metal na parte superior e inferior da célula fotovoltaica, podemos extrair essa corrente para uso externo, por exemplo, para alimentar uma calculadora. Essa corrente, juntamente com a voltagem da célula (que é resultado do campo ou campos elétricos internos), define a energia (ou potência) que a célula solar pode produzir.

Esse é o processo básico, mas há realmente muito mais. Na próxima página, vamos examinar mais detalhadamente um exemplo de célula fotovoltaica: a célula de silício monocristalino.

Como o silício produz uma célula solar

O presidente Barack Obama, o líder da maioria no Senado Harry Reid, de Nevada, e o coronel Howard Belote, verificaram os painéis solares na Base da Força Aérea de Nellis, em Nevada, em maio de 2009.

O presidente Barack Obama, o líder da maioria no Senado Harry Reid, de Nevada, e o coronel Howard Belote, verificaram os painéis solares na Base da Força Aérea de Nellis, em Nevada, em maio de 2009.FOTO AP / CHARLES DHARAPAK

O silício possui algumas propriedades químicas especiais, especialmente em sua forma cristalina. Um átomo de silício possui 14 elétrons, dispostos em três camadas diferentes. As duas primeiras conchas – que contêm dois e oito elétrons respectivamente – estão completamente cheias. A camada externa, no entanto, está apenas meio cheia com apenas quatro elétrons. Um átomo de silício sempre procurará maneiras de preencher sua última c

amada e, para isso, compartilhará elétrons com quatro átomos próximos. É como se cada átomo estivesse de mãos dadas com seus vizinhos, exceto que, neste caso, cada átomo tem quatro mãos unidas a quatro vizinhos. É isso que forma a estrutura cristalina , e essa estrutura acaba sendo importante para esse tipo de célula fotovoltaica.

O único problema é que o silício cristalino puro é um mau condutor de eletricidade, porque nenhum de seus elétrons é livre para se movimentar, ao contrário dos elétrons em condutores mais ideais, como o cobre. Para resolver esse problema, o silício em uma célula solar possui impurezas– outros átomos propositalmente misturados com os átomos de silício – o que muda a maneira como as coisas funcionam um pouco. Geralmente pensamos em impurezas como algo indesejável, mas, neste caso, nossa célula não funcionaria sem elas. 

Considere o silício com um átomo de fósforo aqui e ali, talvez um para cada milhão de átomos de silício. O fósforo possui cinco elétrons em sua camada externa, não quatro. Ele ainda se liga aos átomos vizinhos de silício, mas, em certo sentido, o fósforo possui um elétron que não tem ninguém para segurar as mãos. Não faz parte de uma ligação, mas há um próton positivo no núcleo de fósforo que o mantém no lugar.

Quando a energia é adicionada ao silício puro, na forma de calor, por exemplo, ela pode fazer com que alguns elétrons se libertem de suas ligações e deixem seus átomos. Um buraco é deixado para trás em cada caso. Esses elétrons, chamados de portadores livres , andam aleatoriamente ao redor da rede cristalina, procurando outro buraco para cair e transportar uma corrente elétrica. No entanto, existem tão poucos deles em silício puro que não são muito úteis.

Mas nosso silício impuro com átomos de fósforo misturados é uma história diferente. É preciso muito menos energia para liberar um de nossos elétrons de fósforo “extras” porque eles não estão ligados a nenhum átomo vizinho. Como resultado, a maioria desses elétrons se liberta e temos muito mais portadores livres do que teríamos em silício puro. O processo de adição de impurezas de propósito é chamado de dopagem e, quando dopado com fósforo, o silício resultante é chamado de tipo N (“n” para negativo) devido à prevalência de elétrons livres. O silício dopado do tipo N é um condutor muito melhor do que o silício puro.

A outra parte de uma célula solar típica é dopada com o elemento boro, que possui apenas três elétrons em sua camada externa em vez de quatro, para se transformar em silício do tipo P. Em vez de ter elétrons livres, o tipo P (“p” para positivo) possui aberturas livres e carrega a carga oposta (positiva).

Na próxima página, veremos mais de perto o que acontece quando essas duas substâncias começam a interagir.

Anatomia de uma célula solar

Antes de agora, nossos dois pedaços separados de silício eram eletricamente neutros; a parte interessante começa quando você os junta. Isso porque sem um campo elétrico , a célula não funcionaria; o campo se forma quando o silício do tipo N e P entra em contato. De repente, os elétrons livres no lado N vêem todas as aberturas no lado P, e há uma corrida louca para preenchê-los. Todos os elétrons livres preenchem todos os buracos livres? Não. Se o fizessem, todo o arranjo não seria muito útil. No entanto, logo na junção , eles se misturam e formam uma espécie de barreira, dificultando cada vez mais os elétrons do lado N atravessarem para o lado P. Eventualmente, o equilíbrio é alcançado e temos um campo elétrico que separa os dois lados.

Esse campo elétrico atua como um diodo , permitindo (e até empurrando) os elétrons fluírem do lado P para o lado N, mas não o contrário. É como uma colina – os elétrons podem facilmente descer a colina (para o lado N), mas não podem subir (para o lado P).

Quando a luz, na forma de fótons , atinge nossa célula solar, sua energia quebra os pares elétron-buraco. Cada fóton com energia suficiente normalmente liberará exatamente um elétron, resultando em um buraco livre também. Se isso acontecer perto o suficiente do campo elétrico, ou se elétrons e orifícios livres vagarem em sua faixa de influência, o campo enviará o elétron para o lado N e o orifício para o lado P. 

Isso causa mais interrupções na neutralidade elétrica e, se fornecermos um caminho de corrente externo, os elétrons fluirão pelo caminho para o lado P para se unir aos orifícios que o campo elétrico enviou para lá, trabalhando para nós ao longo do caminho. O fluxo de elétrons fornece a corrente e o campo elétrico da célula causa uma tensão. Com corrente e tensão, temos energia , que é o produto dos dois.

Ainda existem mais alguns componentes antes de podermos realmente usar nossa célula. O silício é um material muito brilhante, que pode enviar fótons para longe antes que eles façam seu trabalho, então

um revestimento anti – reflexo é aplicado para reduzir essas perdas. O passo final é instalar algo que proteja a célula dos elementos – geralmente uma placa de vidro . Os módulos fotovoltaicos geralmente são fabricados conectando várias células individuais para obter níveis úteis de tensão e corrente e colocando-as em uma estrutura robusta, completa com terminais positivos e negativos.

Quanta energia solar nossa célula fotovoltaica absorve? Infelizmente, provavelmente não muito. Em 2006, por exemplo, a maioria dos painéis solares atingiu apenas níveis de eficiência de 12 a 18%. O sistema de painel solar mais avançado naquele ano finalmente superou a barreira de 40% da eficiência solar da indústria – alcançando 40,7% [fonte: Departamento de Energia dos EUA ]. Então, por que é tão difícil aproveitar ao máximo um dia ensolarado?

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