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Como funciona uma célula fotovoltaica - Ilustração por Sophia Lapertosa

Como funciona a célula fotovoltaica

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A energia fotovoltaica é obtida através da conversão direta da energia solar em energia elétrica. Esse fenômeno denominado de efeito fotovoltaico foi relatado pela primeira vez pelo físico francês Edmond Becquerel em 1839. O efeito fotovoltaico consiste no surgimento de uma diferença de potencial elétrico (DDP) nos extremos de uma estrutura de um semicondutor, causado devido à incidência de radiação solar. Impulsionadas pelas novas descobertas da microeletrônica, em 1956 foram construídas as primeiras células fotovoltaicas industriais. No processo de conversão da energia solar em energia elétrica a célula fotovoltaica é a menor unidade fundamental do sistema fotovoltaico. Essas células fotovoltaicas são fabricadas com material semicondutor, ou seja, material com características intermediárias entre um condutor e um isolante. Essas células são caracterizadas pela presença de duas regiões denominadas de bandas de energia (banda de valência e banda de condução). Dessa forma, a incidência da energia solar promove a geração de “elétrons-lacuna” ou seja, os elétrons livres da banda de valência serão conduzidos para a banda de condução, gerando assim uma corrente elétrica. Esse deslocamento de cargas elétricas dá origem a uma diferença de potencial a qual chamamos de efeito fotovoltaico. O silício é o material mais comumente utilizado na construção desses semicondutores. O cristal de silício puro não possui elétrons livres e, portanto é um mau condutor elétrico. Nesse sentido, para torna-lo um semicondutor acrescentam-se porcentagens de outros elementos (ex. fosforo), processo denominado de dopagem. A dopagem do silício com o fósforo obtém-se um material com elétrons livres (silício tipo N). Realizando o mesmo processo, mas agora acrescentado o elemento Boro ao invés de Fósforo, obtém-se um material com deficiência de elétrons ou material com cargas positivas livres (silício tipo P). Quando ambas as partes são unidas (silício tipo N e tipo P), na região P-N, forma-se um campo elétrico devido aos elétrons livres do silício tipo N que ocupam os “vazios” da estrutura do silício tipo P. Quando a luz solar incide sobre as células fotovoltaicas, seus fótons de luz excitam os elétrons do sistema fotovoltaico, fornecendo energia aos semicondutores. Devido ao campo elétrico gerado pela junção P-N, os elétrons são orientados e fluem da região “P” para a região “N”. Por fim, ligando a região negativa à positiva, por meio de um condutor externo, gera-se um fluxo de elétrons ordenado, a qual é denominada corrente elétrica. Enquanto a energia do sol (luz do dia) incidir sobre as placas fotovoltaicas, será mantida a geração da corrente elétrica e a intensidade dessa corrente será proporcional à intensidade da luz solar incidente. Essas células têm potencial na ordem de 1,5 Wp correspondentes a uma tensão de 0,4 V a 0,5 V e uma corrente de 3A. Para obter maiores potências, as placas fotovoltaicas (conjunto de células fotovoltaicas) devem ser ligadas em série ou em paralelo, resultando em módulos com potências na ordem de 50 a 100 Wp. Vale destacar que as células fotovoltaicas apenas mantém um fluxo de elétrons organizado num circuito elétrico enquanto houver incidência de luz sobre ela, mas a mesma não armazena energia elétrica.

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