Como Funcionam as Células Fotovoltaicas?

Você já viu calculadoras sem pilha? Com luz suficiente, elas parecem funcionar para sempre (algumas nem têm botão de desligar). Elas são bons exemplos do uso de células solares. Você pode ter visto painéis solares bem maiores, em placas ou telefones públicos de emergência, em estradas. Embora esses grandes painéis não sejam tão comuns como as calculadoras que funcionam com energia solar, eles estão por aí, e não é difícil de achar se você souber onde procurar. Há conjuntos de células solares em satélites, para abastecer os sistemas elétricos.
Também é provável que você tenha ouvido sobre a "revolução solar" nos últimos 20 anos: a idéia de que um dia todos nós usaremos a eletricidade grátis do Sol. Este é um processo sedutor: em um dia claro e ensolarado, o sol brilha "despejando" aproximadamente 1.000 watts de energia por metro quadrado da superfície do planeta; e se pudéssemos coletar toda esta energia poderíamos facilmente fornecer energia para nossas casas e escritórios de graça.

Os painéis solares absorvem energia para produzir hidrogênio

Neste artigo, 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.
Convertendo fótons em elétrons
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 ligação, seus vizinhos não estão conectados a ele. Assim, a maioria desses elétrons se liberta, e há muito mais portadores livres do que haveria no silício puro. O processo de adicionar impurezas de propósito é chamado de doping, e quando "dopado" com fósforo o silício resultante é chamado tipo-N ("n" de negativo) por causa do predomínio dos elétrons livres. O silício dopado tipo-N é um condutor muito melhor do que o silício puro.
Na verdade, apenas parte da nossa célula solar é tipo-N. A outra parte é dopada com boro (que tem apenas três elétrons, em vez de quatro, em sua camada mais externa) para se tornar um silício do tipo-P. Em vez de ter elétrons livres, o silício tipo-P ("p" de positivo) tem buracos livres. Os buracos, na verdade, são apenas a ausência de elétrons, então eles possuem carga oposta (positiva). Eles ficam se movendo, exatamente como os elétrons fazem.
A parte interessante começa quando você coloca o silício tipo-N junto com o silício tipo-P. Lembre-se de que cada célula FV apresenta um campo elétrico. Sem um campo elétrico, a célula não funcionaria. Esse campo se forma quando o silício tipo-N e tipo-P estão em contato. De repente, os elétrons livres no lado N, que estiveram procurando por todos os lugares pelos buracos para entrar, vêem todos os buracos livres no lado P, e há uma corrida maluca para preenchê-los.