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O que é fotovotaica?

2022-12-22

A energia fotovoltaica é a conversão direta de luz em eletricidade no nível atômico. Alguns materiais exibem uma propriedade conhecida como efeito fotoelétrico que os faz absorver fótons de luz e liberar elétrons. Quando esses elétrons livres são capturados, resulta uma corrente elétrica que pode ser usada como eletricidade.

O efeito fotoelétrico foi observado pela primeira vez por um físico francês, Edmund Bequerel, em 1839, que descobriu que certos materiais produziriam pequenas quantidades de corrente elétrica quando expostos à luz. Em 1905, Albert Einstein descreveu a natureza da luz e o efeito fotoelétrico em que se baseia a tecnologia fotovoltaica, pelo qual mais tarde ganhou o prêmio Nobel de física. O primeiro módulo fotovoltaico foi construído pela Bell Laboratories em 1954. Foi anunciado como uma bateria solar e era apenas uma curiosidade, pois era muito caro para ter uso generalizado. Na década de 1960, a indústria espacial começou a fazer o primeiro uso sério da tecnologia para fornecer energia a bordo de espaçonaves. Por meio dos programas espaciais, a tecnologia avançou, sua confiabilidade foi estabelecida e o custo começou a diminuir. Durante a crise energética na década de 1970, a tecnologia fotovoltaica ganhou reconhecimento como fonte de energia para aplicações não espaciais.

O diagrama acima ilustra o funcionamento de uma célula fotovoltaica básica, também chamada de célula solar. As células solares são feitas dos mesmos tipos de materiais semicondutores, como o silício, usados na indústria de microeletrônica. Para células solares, um wafer semicondutor fino é especialmente tratado para formar um campo elétrico, positivo de um lado e negativo do outro. Quando a energia da luz atinge a célula solar, os elétrons são soltos dos átomos no material semicondutor. Se condutores elétricos estiverem ligados aos lados positivo e negativo, formando um circuito elétrico, os elétrons podem ser capturados na forma de uma corrente elétrica – ou seja, eletricidade. Essa eletricidade pode então ser usada para alimentar uma carga, como uma luz ou uma ferramenta.

Um número de células solares conectadas eletricamente umas às outras e montadas em uma estrutura ou estrutura de suporte é chamada de módulo fotovoltaico. Os módulos são projetados para fornecer eletricidade em uma determinada tensão, como um sistema comum de 12 volts. A corrente produzida depende diretamente da quantidade de luz que atinge o módulo.

Os dispositivos fotovoltaicos mais comuns de hoje usam uma única junção, ou interface, para criar um campo elétrico dentro de um semicondutor, como uma célula fotovoltaica. Em uma célula fotovoltaica de junção simples, apenas os fótons cuja energia é igual ou maior que o gap do material da célula podem liberar um elétron para um circuito elétrico. Em outras palavras, a resposta fotovoltaica das células de junção única é limitada à porção do espectro solar cuja energia está acima do intervalo de banda do material absorvedor, e os fótons de baixa energia não são usados.

Uma forma de contornar essa limitação é usar duas (ou mais) células diferentes, com mais de um band gap e mais de uma junção, para gerar uma tensão. Estas são referidas como células "multijunção" (também chamadas de células "cascata" ou "tandem"). Os dispositivos de multijunção podem alcançar uma eficiência de conversão total mais alta porque podem converter mais do espectro de energia da luz em eletricidade.

Conforme mostrado abaixo, um dispositivo de multijunção é uma pilha de células individuais de junção única em ordem decrescente de intervalo de banda (por exemplo). A célula superior captura os fótons de alta energia e passa o restante dos fótons para serem absorvidos pelas células de gap de banda inferior.

Grande parte da pesquisa atual em células de multijunção concentra-se no arsenieto de gálio como uma (ou todas) das células componentes. Essas células atingiram eficiências de cerca de 35% sob luz solar concentrada. Outros materiais estudados para dispositivos de multijunção foram o silício amorfo e o disseleneto de cobre e índio.

Como exemplo, o dispositivo de multijunção abaixo usa uma célula superior de fosfeto de gálio e índio, "uma junção de túnel", para auxiliar o fluxo de elétrons entre as células e uma célula inferior de arsenieto de gálio.

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