O efeito fotovoltaico é um fenômeno fundamental na conversão da energia solar em eletricidade. Caracteriza-se pela geração de corrente elétrica quando dois materiais diferentes estão em contato e expostos à luz ou radiação eletromagnética.
Este efeito é ativado principalmente pela luz solar, embora possa ser desencadeado por fontes de luz natural ou artificial. Porém, na prática, a grande maioria dos painéis fotovoltaicos utiliza exclusivamente a luz solar como fonte de energia.
O físico francês Alexandre-Edmond Becquerel foi quem descobriu este fenómeno em 1839, enquanto investigava a interação entre a luz e a eletricidade, marcando assim o início do desenvolvimento da tecnologia fotovoltaica.
Uso e aplicações do efeito fotovoltaico
O efeito fotovoltaico é fundamentalmente utilizado para a geração de energia elétrica através da conversão direta da luz solar em eletricidade. Esta aplicação materializa-se em tecnologias como os painéis solares fotovoltaicos, que utilizam materiais semicondutores para tirar partido deste fenómeno.
Materiais semicondutores, como o silício, são fundamentais nesta aplicação devido à sua capacidade de aproveitar o efeito fotovoltaico. Quando os fótons da luz incidem sobre esses materiais, provocam uma excitação nos elétrons, gerando assim uma corrente elétrica.
Os painéis solares, compostos por células fotovoltaicas, são o pilar desta tecnologia. Estas células são fabricadas com materiais semicondutores, geralmente silício puro com impurezas controladas, que permitem maximizar a eficiência de conversão da luz solar em eletricidade. Este processo é essencial para a obtenção de energia limpa e renovável, contribuindo significativamente para a mitigação das alterações climáticas e para a independência energética.
como funciona
O efeito fotovoltaico começa quando um fóton atinge um elétron da última órbita de um átomo de silício. Este último elétron é chamado de elétron de valência e recebe a energia com que o fóton viajou.
O fóton é a partícula elementar que transporta todas as formas de radiação eletromagnética, incluindo a radiação solar.
Se a energia adquirida pelo elétron ultrapassar a força atrativa do núcleo do átomo de silício (energia de valência), ele sai de sua órbita e fica livre. Quando livre, o elétron pode viajar através do material condutor formando uma corrente contínua.
Nem todos os fótons que chegam às células solares são convertidos em eletricidade. Parte da radiação incidente é perdida por reflexão (ressalto) e outra parte por transmissão (passa pela célula).
Células fotovoltaicas de efeito fotoelétrico: geração de corrente
Cada elétron liberado deixa para trás um buraco, ou espaço livre, até ser ocupado por um elétron que saltou de outro átomo. Esses movimentos de cargas elétricas (elétrons) liberadas dos espaços que deixam para trás é o que chamamos de corrente elétrica.
Esta corrente de cargas pode deixar o material para realizar trabalhos úteis, como acionar um motor, alimentar uma lâmpada, etc. Para que isso aconteça de forma constante e regular, é necessário que haja a presença de um campo elétrico de polaridade constante. Este campo polariza as partículas e atua como uma verdadeira bomba que impulsiona elétrons em uma direção e gera buracos na direção oposta.
Nos painéis solares convencionais, o campo elétrico é formado pelo fato de uma área do material apresentar excesso de elétrons (carga negativa), enquanto a outra carece deles (carga positiva). Dessa forma, quando um elétron com carga negativa é liberado, ele é empurrado através do material até a área onde a carga é positiva.
Importância dos fótons
Os fótons correspondentes a comprimentos de onda pequenos (radiação ultravioleta) são mais energéticos do que aqueles correspondentes a comprimentos de onda mais longos (radiação infravermelha).
Cada material semicondutor possui uma energia mínima que permite que elétrons sejam liberados de seus átomos. Esta energia corresponderá a fótons de uma determinada faixa de frequência que irá desde aqueles associados ao ultravioleta até as cores visíveis, exceto o vermelho que já possui uma energia associada inferior a 1,2 elétron-volts.
Por que nem todos os fótons são convertidos em eletricidade?
Nem todos os fótons atingem o objetivo de separar os elétrons. Isso ocorre porque ao passar pelo material os fótons perdem energia. Às vezes, no momento da colisão, alguns fótons já perderam energia demais para deslocar um elétron.
Além disso, há uma porcentagem de fótons que conseguem atravessar a folha semicondutora sem esbarrar em nenhum elétron e outros que são refletidos. Nestes casos, o efeito fotovoltaico não ocorreria, fazendo com que os elétrons saltassem de uma camada para outra.