Princípio de Funcionamento da Célula Solar ou Célula Fotovoltaica
A conversão de energia luminosa em energia elétrica baseia-se num fenômeno chamado efeito fotovoltaico. Quando materiais semicondutores são expostos à luz, alguns dos fótons do raio de luz são absorvidos pelo cristal semicondutor, o que causa um número significativo de elétrons livres no cristal. Esta é a razão básica para a produção de eletricidade devido ao efeito fotovoltaico. A célula fotovoltaica é a unidade básica do sistema onde o efeito fotovoltaico é utilizado para produzir eletricidade a partir da energia luminosa. O silício é o material semicondutor mais amplamente utilizado para construir a célula fotovoltaica. O átomo de silício tem quatro elétrons de valência. Em um cristal sólido, cada átomo de silício compartilha cada um de seus quatro elétrons de valência com outro átomo de silício mais próximo, criando ligações covalentes entre eles. Dessa forma, o cristal de silício adquire uma estrutura reticulada tetraédrica. Quando um raio de luz atinge qualquer material, uma parte da luz é refletida, outra parte é transmitida através do material e o restante é absorvido pelo material.
O mesmo acontece quando a luz incide sobre um cristal de silício. Se a intensidade da luz incidente for suficientemente alta, um número suficiente de fótons será absorvido pelo cristal e esses fótons, por sua vez, excitam alguns dos elétrons das ligações covalentes. Esses elétrons excitados então recebem energia suficiente para migrar da banda de valência para a banda de condução. Como o nível de energia desses elétrons está na banda de condução, eles se desprendem das ligações covalentes, deixando um buraco na ligação atrás de cada elétron removido. Estes são chamados de elétrons livres que se movem aleatoriamente dentro da estrutura cristalina do silício. Esses elétrons livres e buracos têm um papel vital na criação de eletricidade na célula fotovoltaica. Esses elétrons e buracos são, portanto, chamados de elétrons e buracos gerados pela luz, respectivamente. Esses elétrons e buracos gerados pela luz não podem produzir eletricidade sozinhos no cristal de silício. Deve haver algum mecanismo adicional para fazer isso.
Quando uma impureza pentavalente, como o fósforo, é adicionada ao silício, os quatro elétrons de valência de cada átomo de fósforo pentavalente são compartilhados através de ligações covalentes com quatro átomos vizinhos de silício, e o quinto elétron de valência não tem chance de criar uma ligação covalente.
Este quinto elétron então fica relativamente livremente ligado ao seu átomo pai. Mesmo em temperatura ambiente, a energia térmica disponível no cristal é suficiente para dissociar esses elétrons relativamente soltos do seu átomo de fósforo pai. Quando este quinto elétron relativamente solto se separa do átomo de fósforo pai, o átomo de fósforo torna-se um íon positivo imóvel. O elétron dissociado se torna livre, mas não tem nenhuma ligação covalente incompleta ou buraco no cristal para ser reassociado. Esses elétrons livres provenientes da impureza pentavalente estão sempre prontos para conduzir corrente no semicondutor. Embora haja um número de elétrons livres, o material ainda permanece eletricamente neutro, pois o número de íons positivos de fósforo presos na estrutura cristalina é exatamente igual ao número de elétrons livres que saem deles. O processo de inserir impurezas no semicondutor é conhecido como dopagem, e as impurezas usadas para dopar são conhecidas como dopantes. Os dopantes pentavalentes que doam seu quinto elétron livre ao cristal semicondutor são conhecidos como doadores. Os semicondutores dopados com impurezas doadoras são conhecidos como semicondutores tipo n ou negativos, pois há muitos elétrons livres que são negativamente carregados por natureza.
Quando, em vez de átomos de fósforo pentavalente, átomos de impureza trivalente, como boro, são adicionados a um cristal semicondutor, o tipo oposto de semicondutor será criado. Nesse caso, alguns átomos de silício na rede cristalina serão substituídos por átomos de boro, ou seja, os átomos de boro ocuparão as posições dos átomos de silício substituídos na estrutura reticulada. Três elétrons de valência do átomo de boro se parearão com os elétrons de valência de três átomos vizinhos de silício para criar três ligações covalentes completas. Para essa configuração, haverá um átomo de silício para cada átomo de boro, cujo quarto elétron de valência não encontrará nenhum elétron de valência vizinho para completar sua quarta ligação covalente. Portanto, esse quarto elétron de valência desses átomos de silício permanece sem par e se comporta como uma ligação incompleta. Assim, haverá falta de um elétron na ligação incompleta, e, portanto, uma ligação incompleta sempre atrai um elétron para preencher essa falta. Desse modo, há uma vaga para o elétron se sentar.
Esta vaga é conceitualmente chamada de buraco positivo. Em um semicondutor dopado com impureza trivalente, um número significativo de ligações covalentes é continuamente quebrado para completar outras ligações covalentes incompletas. Quando uma ligação é quebrada, um buraco é criado nela. Quando uma ligação é completada, o buraco nela desaparece. Dessa forma, um buraco parece desaparecer e outro buraco vizinho aparece. Assim, os buracos têm movimento relativo dentro do cristal semicondutor. Nessa perspectiva, pode-se dizer que os buracos também podem se mover livremente como elétrons livres dentro do cristal semicondutor. Como cada buraco pode aceitar um elétron, as impurezas trivalentes são conhecidas como dopantes aceitores e os semicondutores dopados com dopantes aceitores são conhecidos como semicondutores tipo p ou positivos.
No semicondutor tipo n, principalmente os elétrons livres carregam carga negativa e no semicondutor tipo p, principalmente os buracos, por sua vez, carregam carga positiva. Portanto, os elétrons livres no semicondutor tipo n e os buracos livres no semicondutor tipo p são chamados de portadores majoritários no semicondutor tipo n e tipo p, respectivamente.
Há sempre uma barreira de potencial entre o material tipo n e o material tipo p. Essa barreira de potencial é essencial para o funcionamento de uma célula fotovoltaica ou solar. Quando o semicondutor tipo n e o semicondutor tipo p entram em contato, os elétrons livres próximos à superfície de contato do semicondutor tipo n encontram muitos buracos adjacentes do material tipo p. Portanto, os elétrons livres no semicondutor tipo n próximos à sua superfície de contato saltam para os buracos adjacentes do material tipo p para recombinar. Não apenas os elétrons livres, mas também os elétrons de valência do material tipo n próximos à superfície de contato saem das ligações covalentes e se recombinam com buracos mais próximos no semicondutor tipo p. À medida que as ligações covalentes são quebradas, haverá um número de buracos criados no material tipo n próximo à superfície de contato. Portanto, na zona de contato, os buracos no material tipo p desaparecem devido à recombinação, enquanto os buracos aparecem no material tipo n na mesma zona de contato. Isso é equivalente à migração de buracos do material tipo p para o semicondutor tipo n. Assim, assim que um semicondutor tipo n e um semicondutor tipo p entram em contato, os elétrons do tipo n transferem-se para o tipo p e os buracos do tipo p transferem-se para o tipo n. O processo é muito rápido, mas não continua para sempre. Depois de alguns instantes, haverá uma camada de carga negativa (excesso de elétrons) no semicondutor tipo p adjacente à superfície de contato. Da mesma forma, haverá uma camada de carga positiva (íons positivos) no semicondutor tipo n adjacente à superfície de contato. A espessura dessas camadas de carga negativa e positiva aumenta até certo ponto, mas depois disso, nenhum elétron migrará mais do semicondutor tipo n para o tipo p. Isso ocorre porque, quando qualquer elétron do semicondutor tipo n tenta migrar para o semicondutor tipo p, ele enfrenta uma camada suficientemente espessa de íons positivos no próprio semicondutor tipo n, onde cairá sem atravessá-la. Da mesma forma, os buracos não migrarão mais para o semicondutor tipo n a partir do tipo p. Quando os buracos tentam atravessar a camada negativa no semicondutor tipo p, eles se recombinam com os elétrons e não há mais movimento em direção à região tipo n.
Em outras palavras, a camada de carga negativa no lado tipo p e a camada de carga positiva no lado tipo n formam juntas uma barreira que opõe a migração de portadores de carga de um lado para o outro. Da mesma forma, os buracos na região tipo p são impedidos de entrar na região tipo n. Devido às camadas de carga positiva e negativa, haverá um campo elétrico através da região, e essa região é chamada de camada de esgotamento.
Agora, vamos voltar ao cristal de silício. Quando um raio de luz atinge o cristal, uma parte da luz é absorvida pelo cristal, e, consequentemente, alguns dos elétrons de valência são excitados e saem das ligações covalentes, resultando em pares de elétron-buraco livres.
Se a luz atinge o semicondutor tipo n, os elétrons desses pares de elétron-buraco gerados pela luz não conseguem migrar para a região tipo p, pois não conseguem atravessar a barreira de potencial devido à repulsão do campo elétrico através da camada de esgotamento. Ao mesmo tempo, os buracos gerados pela luz atravessam a camada de esgotamento devido à atração do campo elétrico da camada de esgotamento, onde se recombinam com os elétrons, e a falta de elétrons aqui é compensada pelos elétrons de valência da região tipo p, e isso cria o mesmo número de buracos na região tipo p. Assim, os buracos gerados pela luz são deslocados para a região tipo p, onde ficam presos, pois, uma vez que chegam à região tipo p, não conseguem voltar à região tipo n devido à repulsão da barreira de potencial.
Como a carga negativa (elétrons gerados pela luz) é aprisionada de um lado e a carga positiva (buracos gerados pela luz) é aprisionada no lado oposto da célula, haverá uma diferença de potencial entre esses dois lados da célula. Essa diferença de potencial é tipicamente de 0,5 V. É assim que as células fotovoltaicas ou células solares produzem uma diferença de potencial.
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