A anatomia de uma Célula Fotovoltaica

Antes, o silício era eletricamente todo neutro. Nossos elétrons extras foram balanceados pelos prótons extras nos fosforosos. Os elétrons que estão faltando (buracos) foram balanceados pelos prótons que estão faltando no boro. Quando os buracos e os elétrons se misturam na junção do silício tipo-N e tipo-P, essa neutralidade é rompida. Todos os elétrons livres preenchem todos os buracos livres? Não. Se eles preenchessem, então a organização total não seria muito útil. Porém, bem na junção, eles se misturam formando uma barreira, dificultando mais e mais para os elétrons no lado N atravessarem para o lado P. Finalmente, o equilíbrio é alcançado e temos um campo elétrico separando os dois lados.

A - silício tipo-nB - silício tipo-p O efeito do campo elétrico em uma célula FV

Este campo elétrico atua como um diodo, permitindo (e mesmo empurrando) os elétrons para fluírem do lado P para o lado N, mas não ao contrário. É como uma montanha, os elétrons podem descer facilmente a montanha (para o lado N), mas não podem subi-la (para o lado P).
Então, conseguimos um campo elétrico atuando como um diodo no qual os elétrons apenas podem se mover em um sentido. Vamos ver o que acontece quando a luz atinge a célula.  
Quando a luz, na forma de fótons, atinge nossa célula solar, sua energia libera os pares de furos e elétron-buraco.
Cada fóton com energia suficiente normalmente liberará exatamente um elétron, resultando em um buraco livre também. Se isto acontece muito perto do campo elétrico, ou se acontecer do elétron livre e do buraco livre estarem na região de influência do campo, ele enviará o elétron para o lado N e o buraco para o lado P. Isto causa ruptura adicional da neutralidade elétrica e, se fornecermos um caminho externo para a corrente, os elétrons fluirão, através do caminho, para seu lado original (o lado P) para unirem-se com os buracos que o campo elétrico enviou para lá, fazendo o trabalho para nós ao longo do caminho. O fluxo de elétrons fornece a corrente e o campo elétrico das células causa uma voltagem. Com a corrente e a voltagem, temos a potência que é o produto dos dois.
Ainda restam algumas etapas antes que possamos realmente usar nossa célula. Acontece que o silício é um material muito brilhante e, portanto, reflete muito. Os fótons que são refletidos não podem ser usados pela célula. Por esta razão, um revestimento anti-reflexo é aplicado no topo da célula para reduzir a perda de reflexo para menos de 5%.
A etapa final é a placa de cobertura de vidro que protege a célula dos fenômenos atmosféricos. Os módulos são feitos pela conexão de várias células (geralmente 36) em séries e em paralelo para atingir níveis úteis de voltagem e corrente, e colocá-las em uma forte estrutura completa com cobertura de vidro e terminais positivos e negativos na parte de trás.

A - silício tipo-nB - silício tipo-p Operação de uma célula FV

A- vidro de coberturaB- revestimento anti-reflexoC- rede de contatoD- Si tipo-nE- Si tipo-pF- contato genérica
A estrutura básica de uma célula FV de silício genérica Quanta energia, proveniente da luz do Sol, nossa célula FV absorve? Infelizmente, o máximo que nossa célula simples poderia absorver é cerca de 25% e, geralmente, 15% ou menos. Por que tão pouco?


Perda de energia numa célula solar

A luz visível é parte do espectro eletromagnético. A radiação eletromagnética não é monocromática, é composta de uma variação de comprimentos de onda diferentes e conseqüentemente de níveis de energias diferentes (veja Como funciona a relatividade especial para uma boa discussão sobre espectro eletromagnético).

A luz pode ser separada em comprimentos de onda diferentes e podemos vê-los na forma de um arco-íris. Como a luz que atinge nossa célula tem fótons de uma grande variedade de energias, alguns deles não possuem energia suficiente para formar um par de elétron-buraco. Eles simplesmente passarão pela célula como se ela fosse transparente. Somente uma certa quantidade de energia, medida em elétron-volts (eV) e definida por nosso material da célula (cerca de 1,1 eV para o silício cristalino), é requerida para arrancar um elétron. Chamamos isso de energia de espaçamento entre as bandas de um material. Se um fóton tem mais energia do que a quantidade necessária, então a energia extra é perdida (a menos que um fóton tenha o dobro da energia requerida, e possa criar mais do que um par de elétron-buraco, mas este efeito não é significativo). Estes dois efeitos sozinhos são responsáveis pela perda de cerca de 70% da energia de radiação incidente na nossa célula.
Por que não podemos escolher um material com um espaçamento entre as bandas realmente baixo para que possamos usar mais fótons? Infelizmente, nosso espaçamento determina a intensidade (voltagem) de nosso campo elétrico, e se for muito baixo, então obtemos uma corrente extra (pois mais fótons são absorvidos), e assim perdemos por ter uma voltagem baixa. Lembre-se de que a potência é a voltagem vezes a corrente. O espaçamento ideal entre as bandas, balanceando estes dois efeitos, está em torno de 1,4 eV para uma célula de um único material.

Também temos outras perdas. Nossos elétrons tem de fluir de um lado da célula para o outro através de um circuito externo. Podemos cobrir a parte inferior com um metal, permitindo uma boa condução, mas se cobríssemos completamente a parte superior, então os fótons não conseguiriam atravessar o condutor opaco e perderíamos toda nossa corrente (em algumas células, os condutores transparentes são usados na superfície superior). Se colocarmos nossos contatos apenas nas laterais de nossas células, então os elétrons terão de percorrer uma distância extremamente longa (para um elétron) para alcançar os contatos. Lembre-se de que o silício é um semicondutor, não é nem de longe tão bom quanto o metal para o transporte da corrente. Sua resistência interna (chamada de resistência de série) é razoavelmente alta, significando altas perdas. Para minimizar estas perdas, nossa célula é coberta por uma rede de contato metálica que reduz a distância que os elétrons devem percorrer enquanto cobrem apenas uma pequena parte da superfície da célula. Mesmo assim, alguns fótons são bloqueados pela rede, que não pode ser muito pequena ou então sua própria resistência será muita alta.