Energia elétrica
História
O termo "fotovoltaico" começou-se a usar no Reino Unido no ano 1849.[18] Vem do grego φώς: phos, que significa "luz", e de -voltaico, que vem do âmbito da eletricidade, em honra ao físico italiano Alessandro Volta.
O efeito fotovoltaico foi reconhecido pela primeira vez uns dez anos antes, em 1839, pelo físico francês Alexandre Edmond Becquerel, mas a primeira célula solar não se fabricou até 1883.[19][20] Seu criador foi Charles Fritts, quem recobriu uma amostra de selênio semicondutor com pó de ouro para formar a união. Este dispositivo primitivo apresentava uma eficiência menor do 1 %, mas demonstrou de forma prática que, efectivamente, produzir eletricidade com luz era possível.[21] Os estudos realizados no século XIX por Michael Faraday, James Clerk Maxwell, Nikola Tesla e Heinrich Hertz sobre indução eletromagnética, forças elétricas e ondas eletromagnéticas, e sobretudo os de Albert Einstein em 1905, proporcionaram a base teórica ao efeito fotoelétrico, que é o fundamento da conversão de energia solar para eletricidade.
Princípio de funcionamento
Num semicondutor exposto à luz, um fotão de energia arranca um elétron, criando ao mesmo tempo uma lacuna ou buraco no átomo excitado. Normalmente, o elétron encontra rapidamente outra lacuna para voltar a enchê-lo, e a energia proporcionada pelo fotão, por tanto, dissipa-se em forma de calor. O princípio de uma célula fotovoltaica é obrigar aos elétrons e as lacunas a avançar para o lado oposto do material em lugar de simplesmente recombinar-se nele: assim, produzir-se-á uma diferença de potencial e portanto tensão entre as duas partes do material, como ocorre numa pilha.
Para isso, cria-se um campo elétrico permanente, através de uma união pn, entre duas capas dopadas respectivamente, p e n. Nas células de silício, que são maioritariamente utilizadas, se encontram por tanto:
A capa superior da célula, que se compõe de silício dopado de tipo n.[notas 3] Nesta capa, há um número de elétrons livres maior que numa capa de silício puro, daí o nome do dopagem n, negativo. O material permanece eletricamente neutro, já que tanto os átomos de silício como os do material dopante são neutros: mas a rede cristalina tem globalmente uma maior presença de elétrons que numa rede de silício puro.
A capa inferior da célula, que se compõe de silício dopado de tipo p.[notas 4]Esta capa tem portanto uma quantidade média de elétrons livres menor que uma capa de silício puro. Os elétrons estão unidos à rede cristalina que, em consequência, é eletricamente neutra mas apresenta lacunas, positivas (p). A condução elétrica está assegurada por estes portadores de carga, que se deslocam por todo o material.
No momento da criação da união pn, os elétrons livres de capa n entram instantaneamente na capa p e se recombinam com as lacunas na região p. Existirá assim durante toda a vida da união, uma carga positiva na região n ao longo da união (porque faltam elétrons) e uma carga negativa na região em p ao longo da união (porque as lacunas têm desaparecido); o conjunto forma a «Zona de Carga de Espacial» (ZCE) e existe um campo elétrico entre as duas, de n para p. Este campo elétrico faz da ZCE um diodo, que só permite o fluxo de corrente numa direcção: os elétrons podem mover da região p ao n, mas não na direcção oposta e pelo contrário as lacunas não passam mais que de n para p.
Em funcionamento, quando um fotão arranca um elétron à matriz, criando um elétron livre e uma lacuna, sobre o efeito deste campo elétrico a cada um vai em direcção oposta: os elétrons acumulam-se na região n (para converter-se em polo negativo), enquanto as lacunas acumulam-se na região dopada p (que se converte no polo positivo). Este fenómeno é mais eficaz na zona de carga espacial, onde quase não há portadores de carga (elétrons ou lacunas), já que são anulados, ou na redondeza imediata à ZCE: quando um fotão cria um pare elétron-lacuna, separaram-se e é improvável que encontrem a seu oposto, mas se a criação tem lugar num lugar mais afastado da união, o elétron (convertido em lacuna) mantém uma grande oportunidade para recombinar-se antes de chegar à zona n. Mas a ZCE é necessariamente muito fina, de modo que não é útil dar uma grande espessura à célula.[notas 5] Efectivamente, a espessura da capa n é muito pequena, já que esta capa só se precisa basicamente para criar a ZCE que faz funcionar a célula. Em mudança, a espessura de capa p é maior: depende de um compromisso entre a necessidade de minimizar as recombinações elétron-lacuna, e pelo contrário permitir a captação do maior número de fotões possível, para o que se requere verdadeira mínima espessura.
Em resumo, uma célula fotovoltaica é o equivalente de um gerador de energia à que se acrescentou um diodo. Para conseguir uma célula solar prática, também é preciso acrescentar contactos elétricos (que permitam extrair a energia gerada), uma capa que proteja a célula mas deixe passar a luz, uma capa antireflexo para garantir a correta absorção dos fotões, e outros elementos que aumentem a eficiência do mesmo.
Primeira célula solar moderna
O engenheiro estadounidense Russell Ohl patenteou a célula solar moderna no ano 1946, ainda que outros pesquisadores tenham avançado o seu desenvolvimento anteriormente: o físico sueco Sven Ason Berglund tinha patenteado em 1914 um método que tratava de incrementar a capacidade das células foto-sensíveis, enquanto em 1931, o engenheiro alemão Bruno Lange tinha desenvolvido uma foto-célula usando selênio de prata em lugar de óxido de cobre(I).
A era moderna da tecnologia solar não chegou até ao ano de 1954, quando os pesquisadores estadounidenses Gerald Pearson, Calvin S. Fuller e Daryl Chapin, dos Laboratórios Bell, descobriram de maneira acidental que os semicondutores de silício dopado com certas impurezas eram muito sensíveis à luz.[25] Estes avanços contribuíram para a fabricação da primeira célula solar comercial. Empregaram uma união difusa de silício p–n, com uma conversão da energia solar de aproximadamente 6 %, com potência de 5 mWp e área de 2cm², um aumento comparado com as células de selênio que dificilmente atingiam os 0,5 %.
Posteriormente o estadounidense Les Hoffman, presidente da companhia Hoffman Electronics, através da sua divisão de semicondutores foi um dos pioneiros na fabricação e produção a grande escala de células solares. Entre 1954 e 1960, Hoffman conseguiu melhorar a eficiência das células fotovoltaicas até aos 14 %, reduzindo os custos de fabricação para conseguir um produto que pudesse ser comercializado.
O termo "fotovoltaico" começou-se a usar no Reino Unido no ano 1849.[18] Vem do grego φώς: phos, que significa "luz", e de -voltaico, que vem do âmbito da eletricidade, em honra ao físico italiano Alessandro Volta.
O efeito fotovoltaico foi reconhecido pela primeira vez uns dez anos antes, em 1839, pelo físico francês Alexandre Edmond Becquerel, mas a primeira célula solar não se fabricou até 1883.[19][20] Seu criador foi Charles Fritts, quem recobriu uma amostra de selênio semicondutor com pó de ouro para formar a união. Este dispositivo primitivo apresentava uma eficiência menor do 1 %, mas demonstrou de forma prática que, efectivamente, produzir eletricidade com luz era possível.[21] Os estudos realizados no século XIX por Michael Faraday, James Clerk Maxwell, Nikola Tesla e Heinrich Hertz sobre indução eletromagnética, forças elétricas e ondas eletromagnéticas, e sobretudo os de Albert Einstein em 1905, proporcionaram a base teórica ao efeito fotoelétrico, que é o fundamento da conversão de energia solar para eletricidade.
Princípio de funcionamento
Num semicondutor exposto à luz, um fotão de energia arranca um elétron, criando ao mesmo tempo uma lacuna ou buraco no átomo excitado. Normalmente, o elétron encontra rapidamente outra lacuna para voltar a enchê-lo, e a energia proporcionada pelo fotão, por tanto, dissipa-se em forma de calor. O princípio de uma célula fotovoltaica é obrigar aos elétrons e as lacunas a avançar para o lado oposto do material em lugar de simplesmente recombinar-se nele: assim, produzir-se-á uma diferença de potencial e portanto tensão entre as duas partes do material, como ocorre numa pilha.
Para isso, cria-se um campo elétrico permanente, através de uma união pn, entre duas capas dopadas respectivamente, p e n. Nas células de silício, que são maioritariamente utilizadas, se encontram por tanto:
A capa superior da célula, que se compõe de silício dopado de tipo n.[notas 3] Nesta capa, há um número de elétrons livres maior que numa capa de silício puro, daí o nome do dopagem n, negativo. O material permanece eletricamente neutro, já que tanto os átomos de silício como os do material dopante são neutros: mas a rede cristalina tem globalmente uma maior presença de elétrons que numa rede de silício puro.
A capa inferior da célula, que se compõe de silício dopado de tipo p.[notas 4]Esta capa tem portanto uma quantidade média de elétrons livres menor que uma capa de silício puro. Os elétrons estão unidos à rede cristalina que, em consequência, é eletricamente neutra mas apresenta lacunas, positivas (p). A condução elétrica está assegurada por estes portadores de carga, que se deslocam por todo o material.
No momento da criação da união pn, os elétrons livres de capa n entram instantaneamente na capa p e se recombinam com as lacunas na região p. Existirá assim durante toda a vida da união, uma carga positiva na região n ao longo da união (porque faltam elétrons) e uma carga negativa na região em p ao longo da união (porque as lacunas têm desaparecido); o conjunto forma a «Zona de Carga de Espacial» (ZCE) e existe um campo elétrico entre as duas, de n para p. Este campo elétrico faz da ZCE um diodo, que só permite o fluxo de corrente numa direcção: os elétrons podem mover da região p ao n, mas não na direcção oposta e pelo contrário as lacunas não passam mais que de n para p.
Em funcionamento, quando um fotão arranca um elétron à matriz, criando um elétron livre e uma lacuna, sobre o efeito deste campo elétrico a cada um vai em direcção oposta: os elétrons acumulam-se na região n (para converter-se em polo negativo), enquanto as lacunas acumulam-se na região dopada p (que se converte no polo positivo). Este fenómeno é mais eficaz na zona de carga espacial, onde quase não há portadores de carga (elétrons ou lacunas), já que são anulados, ou na redondeza imediata à ZCE: quando um fotão cria um pare elétron-lacuna, separaram-se e é improvável que encontrem a seu oposto, mas se a criação tem lugar num lugar mais afastado da união, o elétron (convertido em lacuna) mantém uma grande oportunidade para recombinar-se antes de chegar à zona n. Mas a ZCE é necessariamente muito fina, de modo que não é útil dar uma grande espessura à célula.[notas 5] Efectivamente, a espessura da capa n é muito pequena, já que esta capa só se precisa basicamente para criar a ZCE que faz funcionar a célula. Em mudança, a espessura de capa p é maior: depende de um compromisso entre a necessidade de minimizar as recombinações elétron-lacuna, e pelo contrário permitir a captação do maior número de fotões possível, para o que se requere verdadeira mínima espessura.
Em resumo, uma célula fotovoltaica é o equivalente de um gerador de energia à que se acrescentou um diodo. Para conseguir uma célula solar prática, também é preciso acrescentar contactos elétricos (que permitam extrair a energia gerada), uma capa que proteja a célula mas deixe passar a luz, uma capa antireflexo para garantir a correta absorção dos fotões, e outros elementos que aumentem a eficiência do mesmo.
Primeira célula solar moderna
O engenheiro estadounidense Russell Ohl patenteou a célula solar moderna no ano 1946, ainda que outros pesquisadores tenham avançado o seu desenvolvimento anteriormente: o físico sueco Sven Ason Berglund tinha patenteado em 1914 um método que tratava de incrementar a capacidade das células foto-sensíveis, enquanto em 1931, o engenheiro alemão Bruno Lange tinha desenvolvido uma foto-célula usando selênio de prata em lugar de óxido de cobre(I).
A era moderna da tecnologia solar não chegou até ao ano de 1954, quando os pesquisadores estadounidenses Gerald Pearson, Calvin S. Fuller e Daryl Chapin, dos Laboratórios Bell, descobriram de maneira acidental que os semicondutores de silício dopado com certas impurezas eram muito sensíveis à luz.[25] Estes avanços contribuíram para a fabricação da primeira célula solar comercial. Empregaram uma união difusa de silício p–n, com uma conversão da energia solar de aproximadamente 6 %, com potência de 5 mWp e área de 2cm², um aumento comparado com as células de selênio que dificilmente atingiam os 0,5 %.
Posteriormente o estadounidense Les Hoffman, presidente da companhia Hoffman Electronics, através da sua divisão de semicondutores foi um dos pioneiros na fabricação e produção a grande escala de células solares. Entre 1954 e 1960, Hoffman conseguiu melhorar a eficiência das células fotovoltaicas até aos 14 %, reduzindo os custos de fabricação para conseguir um produto que pudesse ser comercializado.