Como funcionam os painéis solares?

INTRODUÇÃO

Você já se perguntou como a luz do sol pode ser transformada em eletricidade? De que são constituídas as placas solares?

A resposta está nas células fotovoltaicas, uma tecnologia revolucionária que nos permite aproveitar a energia luminosa para gerar energia elétrica limpa e renovável.

Mas como exatamente essas células funcionam? Neste texto, vamos explorar o fascinante mundo das células fotovoltaicas, desde a sua estrutura básica até o princípio fundamental que as impulsiona.

Descubra como a junção pn, a dopagem dos semicondutores e a organização em série das células se combinam para criar uma fonte de energia sustentável.

Se você está curioso para desvendar os segredos por trás da geração de eletricidade solar, continue a leitura e mergulhe nessa jornada de conhecimento sobre o funcionamento das células fotovoltaicas.

OS SEMICONDUTORES

Os semicondutores têm uma história inusitada no campo da eletrônica e da tecnologia. Desde o desenvolvimento dos primeiros transistores na década de 1940, até a revolução dos chips de computador, os semicondutores têm desempenhado um papel fundamental no avanço da sociedade moderna.

A expressão semicondutores, cunhada por Shockley em 1948, refere-se aos materiais que possuem propriedades, relativas à condução elétrica, intermediária entre os isolantes (borracha, plástico) e os condutores (cobre, prata). À temperatura ambiente, a maioria dos semicondutores se comporta como um isolante.

No entanto, sua condutividade varia com a temperatura de forma inversa aos condutores. Enquanto na maioria dos condutores metálicos a condutividade diminui com a temperatura, nos semicondutores ela aumenta. A explicação para essa diferença é complexa e a ciência demorou a compreender.

À medida que a temperatura aumenta, a agitação térmica da própria rede cristalina, fornece energia suficiente para que os elétrons da última camada eletrônica escapem tornando-se elétrons livres, exatamente como nos condutores. Com elétrons livres, ainda dentro da estrutura do semicondutor, a condutividade aumenta. Nesse momento, o semicondutor tem o comportamento de um condutor.

No entanto, essa dependência da condutividade com a temperatura não é regular. Experiências com o Silício (semicondutor) mostram que sutis diferenças nas amostras do material alteram substancialmente os resultados.

Esse detalhe foi fundamental para o desenvolvimento das aplicações tecnológicas dos semicondutores. Impurezas nos semicondutores, mesmo em ínfima quantidade (da ordem de um átomo em um milhão) presente nas redes cristalinas, alteravam drasticamente sua condutividade.

DOPAGEM

Essa descoberta conduziu à tecnica de acréscimo controlado das impurezas nos materiais semicondutores, processo denominado dopagem.

O semicondutor mais utilizado para receber a dopagem é o Silício (Si), que possui 4 elétrons na última camada que são compartilhados através de ligação covalente.

Existem dois tipos principais de dopagem: tipo p e tipo n.

Na dopagem tipo p são acrescidos materiais que possuem um elétron a menos nas últimas camadas eletrônicas, como o Boro (Bo) que tem 3 elétrons de valência. Dessa forma, no material dopado, os elétrons se reorganizam de modo a formar buracos (falta de elétrons), que podem ser considerados como portadores de carga positiva.

Na dopagem tipo n, impurezas como Arsênio (As), que possui 5 elétrons de valência, são adicionadas, introduzindo átomos com um elétron extra em sua camada de valência (última camada eletrônica). Assim, após a reorganização na rede cristalina, um elétron fica sobrando, sendo, portanto, um portador de carga negativa. Isso faz com que a energia para retirar esse elétron e transformá-lo em elétron livre é bem menor do que do Silício puro. Ou seja, é mais fácil um semicondutor dopado (extrínseco) apresentar características de condutor, do que um semicondutor puro (intrínseco).

Notem que, em ambos os casos, os materiais continuam eletricamente neutros, ou seja, possuem a mesma quantidade de cargas positivas e negativas ao todo. Sendo assim, os semicondutores tipo n ou p, individualmente não são capazes de produzir efeitos elétricos.

Porém, quando os cientistas uniram os dois tipos, algo surpreendente ocorreu.

A JUNÇÃO PN

A junção pn é formada pela combinação lado a lado de um semicondutor tipo p e outro tipo n. É a estrutura-chave das células fotovoltaicas e tem a capacidade de produzir uma corrente elétrica quando luz incide sobre ela.

Vejamos como isso acontece. Quando os materiais tipo p e n são unidos, ocorre difusão de elétrons do tipo n para o tipo p e de buracos no sentido contrário. Essa difusão cria um desequilíbrio de cargas próximo da interface entre os semicondutores e um campo elétrico é estabelecido. Nesse momento, energia elétrica já foi produzida através dessa pequena separação de cargas. Se um circuito externo for interligado à junção pn haverá uma corrente elétrica quase instantânea que tenderá a zero muito rapidamente quando as cargas se equilibrarem novamente.

Então, para que a diferença de potencial e a corrente elétrica permaneçam é necessário o fornecimento de uma energia "externa" como, por exemplo, radiação luminosa.

Quando a luz incide sobre a face n da junção, apenas os fótons com energia suficiente são absorvidos pelo material semicondutor. Esses fótons "colidem" com os elétrons do material tipo n, fornecendo energia para que se "desgarrem" da ligação covalente, tornando-se elétrons livres.

Esses elétrons movem-se para a extremidade do material tipo n e, ao mesmo tempo, os buracos movem-se para a extremidade do material tipo p.

Essa movimentação de portadores de carga cria uma diferença de potencial nos terminais do semicondutor. Fechando o circuito externamente, uma corrente elétrica fluirá por ele, convertendo a energia elétrica em outra forma de energia.

PLACAS SOLARES

É de se imaginar que tanto a corrente elétrica quanto a diferença de potencial de uma única célula fotovoltaica deve ser bem pequena. Para aumentar essa tensão, são interligados vários conjuntos em série no painel solar. Cada célula fotovoltaica contribui com sua tensão individual, e a soma das tensões de todas resulta em uma tensão total maior. Esses conjuntos, por sua vez, são conectados em paralelo. Com isso, é possível gerar correntes maiores que podem ser usadas para alimentar aparelhos eletrônicos, carregar baterias ou ser conectada à rede elétrica.

As células fotovoltaicas são, portanto, junções de semicondutores dopados com grande precisão que, ao receberem energia luminosa através das ondas eletromagnéticas, liberam elétrons criando uma tensão nas extremidades da junção, capaz de funcionar sistemas elétricos como motores, lâmpadas, chuveiros, etc...