Uma célula fotovoltaica (ou célula solar) é um dispositivo eletrônico que converte energia da luz solar em eletricidade. Este processo é chamado de efeito fotovoltaico. As células solares são essenciais para sistemas fotovoltaicos que capturam energia do sol e a convertem em eletricidade útil para nossas casas e dispositivos.
As células solares são feitas de materiais que absorvem luz e liberam elétrons. O material mais comum é o silício, um elemento abundante na crosta terrestre. Quando os fótons (partículas de luz) atingem a célula solar, os elétrons do silício são liberados. Esses elétrons livres geram uma corrente elétrica quando são capturados.
Os painéis fotovoltaicos são constituídos por vários grupos de células fotoelétricas interligadas. Cada grupo de células solares forma uma rede de células fotovoltaicas conectadas em circuito elétrico em série para aumentar a tensão de saída. Ao mesmo tempo, diversas redes também são conectadas em circuito paralelo para aumentar a intensidade da corrente elétrica que o aparelho é capaz de fornecer.
O tipo de corrente elétrica fornecida pelos painéis fotovoltaicos é a corrente contínua.
Estrutura e composição
As células solares mais comuns são constituídas por uma camada de silício cristalino com espessura de aproximadamente 0,3 mm. O processo de fabricação é de nível sofisticado e delicado para conseguir a homogeneidade do material.
O silício é atualmente o material mais utilizado na criação de novas células fotovoltaicas. Esse material, que é o composto químico mais abundante encontrado na crosta terrestre, é obtido pela redução da sílica. O primeiro passo é criar silício metalúrgico, 98% puro, a partir de pedras de quartzo derivadas de veio mineral (a técnica de criação nada tem a ver com areia).
O silício de grau fotovoltaico deve ser transparente até 99,999%. Para obter essa pureza, o silício deve ser destilado em um composto químico especial. Este composto especial converte o destilado novamente em silício.
As zonas positivas e negativas da célula fotovoltaica
O campo elétrico é gerado a partir da polarização diferente de duas áreas da célula solar. Geralmente, a parte superior tem carga negativa e o restante tem carga positiva para criar a junção PN.
A zona P (zona positiva ou ânodo receptor) é uma área que carece de elétrons e, portanto, tem carga positiva. Geralmente, esta configuração é obtida adicionando uma pequena parte de boro ao silício puro que possui apenas 3 elétrons de valência.
A zona N (zona negativa ou cátodo ou emissor) possui excesso de elétrons. Geralmente, esta zona é formada pela difusão do fósforo que possui 5 elétrons na última órbita.
Devido a essa diferença de carga elétrica no material semicondutor, é produzido o campo elétrico responsável por empurrar os elétrons da camada N para a camada P.
A eficiência média de conversão obtida pelas células solares fotovoltaicas disponíveis comercialmente, produzidas a partir de silício monocristalino, é inferior à das células multicamadas, normalmente de arsenieto de gálio.
Atualmente também existem novas tecnologias na produção de painéis solares que não utilizam silício.
Funcionamento de uma célula fotovoltaica
Se conectarmos uma célula solar fotovoltaica a um circuito elétrico com resistência (consumo) e ao mesmo tempo ela receber radiação solar, ocorrerá uma diferença de potencial elétrico entre seus contatos. Essa tensão fará com que os elétrons fluam através do circuito, gerando uma corrente elétrica.
Nessas condições, a célula fotovoltaica atua como gerador de corrente. A luz solar é composta por fótons, que são partículas com certa quantidade de energia. Quando esses fótons atingem a célula solar, eles impactam os elétrons na camada N do silício. Se um elétron absorver a energia de um fóton com energia suficiente, esse elétron se libertará do material, criando um “buraco” que será preenchido por outro elétron. Esse fluxo de elétrons gera uma corrente elétrica.
A corrente produzida por uma célula fotovoltaica iluminada e conectada a uma carga é a diferença entre sua capacidade bruta de produção e as perdas por recombinação de elétrons e fótons. A eficiência da célula depende de vários fatores, como a qualidade do material e a quantidade de luz solar que atinge a célula.
Exemplos de aplicações de células solares
As células solares têm diversas aplicações tanto em pequenos dispositivos quanto em grandes sistemas de geração de energia. Aqui estão alguns exemplos notáveis:
Dispositivos pequenos
- Calculadoras : Utilizam células solares para funcionar sem a necessidade de baterias. Essas calculadoras são comuns em escritórios e escolas.
- Relógios : Alguns relógios usam células solares para recarregar a bateria, prolongando sua vida útil e reduzindo a necessidade de trocas frequentes de bateria.
- Luzes de jardim : As luzes solares de jardim possuem células solares que captam a energia do sol durante o dia e a utilizam para iluminação à noite, sem a necessidade de cabos ou consumo de energia elétrica da rede.
Sistemas residenciais
- Painéis solares no telhado : muitas casas estão equipadas com painéis solares que convertem a luz solar em eletricidade para uso doméstico. Isto pode reduzir significativamente as contas de electricidade e a dependência de fontes de energia não renováveis.
Aplicações industriais e comerciais
- Usinas Solares : Grandes instalações solares utilizam grandes quantidades de painéis solares para gerar eletricidade em escala comercial, fornecendo energia limpa para milhares de residências e empresas.
- Estações de carregamento de veículos elétricos : Algumas estações de carregamento utilizam painéis solares para fornecer energia aos veículos elétricos, promovendo a sustentabilidade e reduzindo a carga na rede elétrica.
Aplicações especializadas :
- Satélites e espaço : Os satélites e outras naves espaciais utilizam células solares para gerar energia no espaço, onde a luz solar é abundante e constante.
- Dispositivos portáteis e de emergência : As células solares são utilizadas em carregadores portáteis para telemóveis e em equipamentos de emergência, garantindo o fornecimento de energia em situações críticas.