O que é o Efeito Fotovoltaico?
O efeito pelo qual a energia luminosa é convertida em energia elétrica em certos materiais semicondutores é conhecido como efeito fotovoltaico. Este converte diretamente a energia luminosa em eletricidade sem qualquer processo intermediário. Para demonstrar o efeito fotovoltaico, vamos supor um bloco de cristal de silício.
A parte superior deste bloco é dopada com impurezas doadoras e a parte inferior é dopada com impurezas aceitadoras. Portanto, a concentração de elétrons livres é bastante alta na região n em comparação com a região p, e a concentração de buracos é bastante alta na região p em comparação com a região n do bloco. Haverá um gradiente de concentração elevado de portadores de carga ao longo da linha de junção do bloco. Os elétrons livres da região n tentam difundir para a região p, e os buracos na região p tentam difundir para a região n no cristal. Isso ocorre porque, por natureza, os portadores de carga sempre tendem a difundir de regiões de alta concentração para regiões de baixa concentração. Cada elétron livre da região n, ao chegar à região p devido à difusão, deixa um íon doador positivo atrás dele na região n.
Isso ocorre porque cada elétron livre na região n é contribuído por um átomo doador neutro. Da mesma forma, quando um buraco se difunde da região p para a região n, deixa um íon aceitador negativo atrás dele na região p.
Já que cada buraco é contribuído por um átomo aceitador na região p. Ambos esses íons, ou seja, íons doadores e íons aceitadores, são imóveis e fixos em sua posição na estrutura cristalina. É desnecessário dizer que aqueles elétrons livres da região n que estão mais próximos à região p primeiro difundem para a região p, consequentemente criando uma camada de íons doadores positivos imóveis na região n adjacente à junção.
Da mesma forma, aqueles buracos livres da região p que estão mais próximos à região n primeiro difundem para a região n, consequentemente criando uma camada de íons aceitadores negativos imóveis na região p adjacente à junção. Essas camadas de concentração de íons positivos e negativos criam um campo elétrico através da junção, que é direcionado do positivo para o negativo, ou seja, da região n para a região p. Agora, devido à presença desse campo elétrico, os portadores de carga no cristal experimentam uma força para derivar de acordo com a direção desse campo elétrico. Como sabemos, a carga positiva sempre deriva na direção do campo elétrico, portanto, os buracos carregados positivamente (se houver) na região n agora derivam para o lado p da junção.
Por outro lado, os elétrons carregados negativamente na região p (se houver) derivam para a região n, pois a carga negativa sempre deriva oposta à direção do campo elétrico. Através de uma junção p-n, a difusão e a derivação dos portadores de carga continuam. A difusão dos portadores de carga cria e aumenta a espessura da barreira de potencial através da junção, e a derivação dos portadores de carga reduz a espessura da barreira. Em condições normais de equilíbrio térmico e na ausência de qualquer força externa, a difusão dos portadores de carga é igual e oposta à derivação dos portadores de carga, portanto, a espessura da barreira de potencial permanece fixa.
Agora, a superfície do tipo n do bloco de cristal de silício é exposta à luz solar. Alguns dos fótons são absorvidos pelo bloco de silício. Alguns dos fótons absorvidos terão energia maior do que a lacuna de energia entre as bandas de valência e condução dos elétrons de valência dos átomos de silício. Portanto, alguns dos elétrons de valência nos elos covalentes serão excitados e saltarão fora do elo, deixando um buraco no elo. Dessa forma, pares elétron-buraco são gerados no cristal devido à luz incidente. Os buracos desses pares elétron-buraco gerados pela luz no lado n têm grande probabilidade de recombinar com os inúmeros elétrons (portadores majoritários). Portanto, a célula solar é projetada de tal forma que os elétrons ou buracos gerados pela luz não terão muitas chances de recombinar com os portadores majoritários.
O semicondutor (silício) é dopado de tal maneira que a junção p-n se forma muito próxima à superfície exposta da célula. Se um par elétron-buraco for criado dentro de um comprimento de difusão de portadores minoritários, da junção, os elétrons do par elétron-buraco irão derivar em direção à região n e o buraco do par será varrido para a região p devido à influência do campo elétrico da junção, e, em média, isso contribuirá para o fluxo de corrente em um circuito externo.
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