Como funciona uma célula fotovolítica

O “efeito fotovoltaico” é o processo físico básico através do qual uma célula fotovoltaica converte a luz solar em eletricidade. A luz solar é composta de fótons ou partículas de energia solar.

Esses fótons contêm várias quantidades de energia correspondentes aos diferentes comprimentos de onda do espectro solar.

Como funciona uma célula fotovoltaica

Quando os fótons atingem uma célula fotovoltaica, eles podem ser refletidos ou absorvidos, ou podem passar através dela. Apenas os fótons absorvidos geram eletricidade. Quando isso acontece, a energia do fóton é transferida para um elétron em um átomo da célula (que na verdade é um semicondutor ).

Com sua energia recém-descoberta, o elétron é capaz de escapar de sua posição normal associada a esse átomo para se tornar parte da corrente em um circuito elétrico.

Ao deixar essa posição, o elétron faz com que um “buraco” se forme. Propriedades elétricas especiais da célula PV – um campo elétrico embutido – fornecem a tensão necessária para acionar a corrente através de uma carga externa (como uma lâmpada).

P-Tipos, N-Tipos e o Campo Elétrico

Para induzir o campo elétrico dentro de uma célula fotovoltaica, dois semicondutores separados são colocados juntos. Os tipos “p” e “n” de semicondutores correspondem a “positivo” e “negativo” por causa de sua abundância de buracos ou elétrons (os elétrons extras fazem um tipo “n” porque um elétron realmente tem uma carga negativa).

Embora ambos os materiais sejam eletricamente neutros, o silício tipo-n possui elétrons em excesso e o silício tipo-p apresenta furos em excesso. Embalar estes juntos cria uma junção ap / n na sua interface, criando assim um campo elétrico.

Quando os semicondutores do tipo p e do tipo n são colocados juntos, os elétrons em excesso no material do tipo n fluem para o tipo p, e os furos, assim, desocupam durante esse fluxo de processo para o tipo-n. (O conceito de um buraco em movimento é como olhar para uma bolha em um líquido.

Embora seja o líquido que está realmente se movendo, é mais fácil descrever o movimento da bolha à medida que ela se move na direção oposta.) Através desse elétron e buraco fluxo, os dois semicondutores atuam como uma bateria, criando um campo elétrico na superfície onde eles se encontram (conhecido como “junção”).

É esse campo que faz com que os elétrons saltem do semicondutor em direção à superfície e os disponibilizem para o circuito elétrico. Ao mesmo tempo, os buracos se movem na direção oposta, em direção à superfície positiva,

Absorção e Condução da célula fotovoltaica

Em uma célula fotovoltaica, os fótons são absorvidos na camada p. É muito importante “sintonizar” essa camada com as propriedades dos fótons que chegam para absorver o máximo possível e liberar o máximo possível de elétrons. Outro desafio é impedir que os elétrons se encontrem com buracos e “se recombinem” com eles antes que possam escapar da célula.

Para fazer isso, projetamos o material de modo que os elétrons sejam liberados o mais próximo possível da junção, de modo que o campo elétrico possa ajudar a enviá-los através da camada de “condução” (a camada n) e para o circuito elétrico. Ao maximizar todas essas características, melhoramos a eficiência de conversão * da célula fotovoltaica.

Para fazer uma célula solar eficiente, tentamos maximizar a absorção, minimizar a reflexão e a recombinação e, assim, maximizar a condução.

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Fazendo N e P Material para uma célula fotovoltaica

Introdução – Como funciona uma célula fotovoltaica

A maneira mais comum de fazer material de silício tipo-p ou tipo-n é adicionar um elemento que tenha um elétron extra ou esteja faltando um elétron. Em silício, usamos um processo chamado “doping”.

Usaremos o silício como exemplo, porque o silício cristalino era o material semicondutor usado nos primeiros dispositivos fotovoltaicos bem-sucedidos, ainda é o material fotovoltaico mais utilizado e, embora outros materiais e projetos fotovoltaicos explorem o efeito fotovoltaico de maneiras ligeiramente diferentes, como o efeito funciona no silício cristalino nos dá uma compreensão básica de como ele funciona em todos os dispositivos

Como mostrado neste diagrama simplificado acima, o silício tem 14 elétrons. Os quatro elétrons que orbitam o núcleo no nível de energia mais externo, ou “valência”, são dados, aceitos ou compartilhados com outros átomos.

Uma descrição atômica do silício

Toda matéria é composta de átomos. Os átomos, por sua vez, são compostos de prótons carregados positivamente, elétrons carregados negativamente e nêutrons neutros.

Os prótons e nêutrons, que são de tamanho aproximadamente igual, compõem o “núcleo” central do átomo, onde quase toda a massa do átomo está localizada.

Os elétrons muito mais leves orbitam o núcleo em velocidades muito altas. Embora o átomo seja construído a partir de partículas de carga oposta, sua carga total é neutra porque contém um número igual de prótons positivos e elétrons negativos.

Uma descrição atômica do silício – a molécula de silício

Os elétrons orbitam o núcleo a diferentes distâncias, dependendo do seu nível de energia; um elétron com menos energia orbita perto do núcleo, enquanto um de maior energia orbita mais longe.

Os elétrons mais distantes do núcleo interagem com os dos átomos vizinhos para determinar a maneira como as estruturas sólidas são formadas.

O átomo de silício tem 14 elétrons, mas seu arranjo orbital natural permite que apenas os quatro externos sejam dados, aceitos ou compartilhados com outros átomos. Esses quatro elétrons externos, chamados de elétrons de “valência”, desempenham um papel importante no efeito fotovoltaico.

Um grande número de átomos de silício, através de seus elétrons de valência, pode se unir para formar um cristal. Em um sólido cristalino, cada átomo de silício normalmente compartilha um de seus quatro elétrons de valência em uma ligação “covalente” com cada um dos quatro átomos de silício vizinhos.

O sólido, então, consiste em unidades básicas de cinco átomos de silício: o átomo original mais os outros quatro átomos com os quais compartilha seus elétrons de valência. Na unidade básica de um sólido de silício cristalino, um átomo de silício compartilha cada um dos seus quatro elétrons de valência com cada um dos quatro átomos vizinhos.

O cristal de silício sólido, então, é composto de uma série regular de unidades de cinco átomos de silício. Esse arranjo fixo e regular de átomos de silício é conhecido como “rede cristalina”.

Fósforo como um material semicondutor

O processo de “doping” introduz um átomo de outro elemento no cristal de silício para alterar suas propriedades elétricas. O dopante tem três ou cinco elétrons de valência, ao contrário dos quatro de silício.

Os átomos de fósforo, que possuem cinco elétrons de valência, são usados ​​para dopagem de silício do tipo n (porque o fósforo fornece seu quinto elétron livre).

Um átomo de fósforo ocupa o mesmo lugar na rede cristalina que foi ocupada antigamente pelo átomo de silício que substituiu. Quatro de seus elétrons de valência assumem as responsabilidades de ligação dos quatro elétrons de valência de silício que eles substituíram.

Mas o quinto elétron de valência permanece livre, sem responsabilidades de ligação. Quando numerosos átomos de fósforo são substituídos por silício em um cristal, muitos elétrons livres se tornam disponíveis.

Substituir um átomo de fósforo (com cinco elétrons de valência) por um átomo de silício em um cristal de silício deixa um elétron extra, não ligado, que é relativamente livre para se mover em torno do cristal.

O método mais comum de doping é revestir o topo de uma camada de silício com fósforo e depois aquecer a superfície. Isso permite que os átomos de fósforo se difundam no silício.

A temperatura é então baixada de modo que a taxa de difusão caia para zero. Outros métodos de introdução de fósforo no silício incluem a difusão gasosa, um processo de spray-on dopante líquido e uma técnica na qual os íons de fósforo são direcionados precisamente para a superfície do silício.

Boro como um material semicondutor

Naturalmente, o silício tipo-n não pode formar o campo elétrico por si mesmo; Também é necessário ter algum silicone alterado para ter as propriedades elétricas opostas.

Então, o boro, que tem três elétrons de valência, é usado para dopagem de silício tipo-p. O boro é introduzido durante o processamento de silício, onde o silício é purificado para uso em dispositivos fotovoltaicos.

Quando um átomo de boro assume uma posição na rede cristalina anteriormente ocupada por um átomo de silício, há uma ligação que falta um elétron (em outras palavras, um furo extra).

A substituição de um átomo de boro (com três elétrons de valência) por um átomo de silício em um cristal de silício deixa um orifício (um elo em falta de um elétron) que é relativamente livre para se mover ao redor do cristal.

Outros materiais semicondutores

Como o silício, todos os materiais fotovoltaicos devem ser feitos em configurações tipo-p e tipo-n para criar o campo elétrico necessário que caracteriza uma célula fotovoltaica.

Mas isso é feito de várias maneiras, dependendo das características do material. Por exemplo, a estrutura única do silício amorfo torna necessária uma camada intrínseca (ou i layer).

Esta camada não dopada de silício amorfo se encaixa entre as camadas do tipo n e do tipo p para formar o que é chamado de design de “pino”.

Filmes finos policristalinos como disseleneto de cobre e índio (CuInSe2) e telureto de cádmio (CdTe) são uma grande promessa para as células fotovoltaicas.

Mas esses materiais não podem ser simplesmente dopados para formar camadas ne p. Em vez disso, camadas de materiais diferentes são usadas para formar essas camadas.

Por exemplo, uma camada de “janela” de sulfeto de cádmio ou material similar é usada para fornecer os elétrons extras necessários para torná-los do tipo-n. O CuInSe2 pode ser feito em si do tipo p, enquanto o CdTe se beneficia de uma camada do tipo p feita de um material como o telureto de zinco (ZnTe).

O arsenieto de gálio (GaAs) é modificado de forma semelhante, geralmente com índio, fósforo ou alumínio, para produzir uma ampla gama de materiais do tipo n e p.

Eficiência de conversão de uma célula fotovoltaica

* A eficiência de conversão de uma célula fotovoltaica é a proporção de energia solar que a célula converte em energia elétrica. Isso é muito importante quando se fala em dispositivos fotovoltaicos, porque melhorar essa eficiência é vital para tornar a energia fotovoltaica competitiva com fontes mais tradicionais de energia (por exemplo, combustíveis fósseis).

Naturalmente, se um painel solar eficiente pode fornecer tanta energia quanto dois painéis menos eficientes, então o custo dessa energia (para não mencionar o espaço necessário) será reduzido.

Para comparação, os primeiros dispositivos fotovoltaicos converteram cerca de 1% -2% da energia solar em energia elétrica. Os dispositivos fotovoltaicos de hoje convertem 7% a 17% de energia luminosa em energia elétrica.

Claro, o outro lado da equação é o dinheiro que custa para fabricar os dispositivos fotovoltaicos. Isso foi melhorado ao longo dos anos também. De fato, hoje






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