BIBLIOTECA VIRTUAL de Derecho, Economía y Ciencias Sociales

ENERGIA, ECONOMIA, ROTAS TECNOLÓGICAS. TEXTOS SELECIONADOS

Yolanda Vieira de Abreu y otros




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10.2.3 O Efeito Fotovoltaico

O efeito fotelétrico, fotoelétrico ou, ainda, fotovoltaico, relatado por Edmond Becquerel, físico francês, em 1839, consiste no surgimento de uma diferença de potencial nos extremos de uma estrutura de material semicondutor, produzida pela absorção da luz incidente. A célula fotelétrica, ou fotovoltaica, é a unidade fundamental do processo de conversão. Em 1954, nos laboratórios Bell, foi produzida a primeira célula solar de silício, que rapidamente atraiu o interesse do programa espacial norte-americano, devido à sua vantajosa relação entre potência e unidade de peso. Com o aperfeiçoamento nas aplicações espaciais, a tecnologia fotovoltaica espalhou-se para as aplicações terrestres (PATEL apud SHAYANI, 2006).

Apresenta-se, a seguir, um breve relato, feito por Severino (2008), que, recordando alguns aspectos relativos à constituição da matéria, permite o entendimento do modo de operação de uma célula fotovoltaica.

Os elementos químicos possuem prótons e nêutrons concentrados no núcleo do átomo e elétrons que permanecem em órbitas de diferentes níveis de energia ao redor do núcleo: a permanência nas órbitas mais internas, mais próximas do núcleo, exige menos energia dos elétrons que a permanência nas órbitas mais externas.

Cada átomo do elemento silício, cujo número atômico é 14, possui 14 elétrons distribuídos em três órbitas ao redor do seu núcleo, sendo dois elétrons na órbita mais interna, oito elétrons na órbita intermediária e quatro elétrons na órbita mais externa. Os elétrons da órbita mais externa do átomo interagem com os átomos vizinhos, formando estruturas sólidas. Cada átomo faz uma ligação covalente com cada um de outros quatro átomos vizinhos, permitindo que os quatro átomos passem a ter suas órbitas externas completas, com oito elétrons cada, formando uma estrutura cristalina.

Cada uma dessas ligações covalentes entre os elétrons de diferentes átomos pode ser quebrada se um dos elétrons receber energia externa suficiente para se afastar mais do seu respectivo núcleo, livrando-se da atração deste. Com isso, o elétron deixa a banda de valência, em que não pode se movimentar livremente, passando para a banda de condução. A saída do elétron da banda de valência deixa uma lacuna elétrica, o que cria o par elétron-lacuna, originado a partir do aumento da energia do elétron.

Se esse elétron livre, com bastante energia, fosse direcionado para um circuito elétrico, seria, então, criada uma corrente elétrica. Porém, na situação em tela, em que o material é composto apenas por átomos de silício, isso não ocorre, pois o elétron livre imediatamente associa-se a uma lacuna originada pela saída de outro elétron, ocasião em que perde energia, deixa a banda de condução e retorna à banda de valência sem dirigir-se a uma carga externa. A energia perdida pelo elétron é transformada em calor e dissipada. Então, para que se produza a desejada corrente elétrica, é necessário que haja um processo que acelere os elétrons livres para fora do material, para um circuito externo. Isso pode ser realizado com a aplicação de um campo elétrico. O material das células fotovoltaicas é preparado de forma a possuir um campo elétrico permanente, que é gerado por meio da adequada dopagem do material semicondutor (SHAYANI, 2006).

Quando átomos com cinco elétrons de ligação na última camada de valência, como, por exemplo, o fósforo, são adicionados ao silício, que possui apenas quatro elétrons nessa situação, a estrutura cristalina é constituída da seguinte forma: quatro elétrons do fósforo unem-se a quatro átomos de silício vizinhos, enquanto o quinto elétron do fósforo não realiza nenhuma ligação, permanecendo ligado ao seu átomo de origem por meio de uma ligação bastante fraca, de pouca energia. Se este elétron receber pouca energia térmica, disponível mesmo à temperatura ambiente, a ligação dele com o núcleo é quebrada, e ele é liberado e direcionado para a banda de condução. Nesse caso, o fósforo é um material dopante doador de elétrons, denominado dopante n; essa dopagem é denominada dopagem do tipo n.

Em outra configuração, se forem adicionados ao silício átomos com apenas três elétrons na última camada de valência, como, por exemplo, o boro, uma das ligações com os quatro átomos de silício vizinhos não será realizada, restando uma lacuna. De modo análogo ao caso anterior, com pouca energia térmica, um elétron vizinho pode passar a esta posição, criando, no local de sua saída, uma nova lacuna, fazendo com que a lacuna se desloque de um local para outro. Sendo assim, o boro é um material dopante que aceita elétrons, denominado dopante p; essa dopagem é denominada dopagem do tipo p.

Mesmo com dopagem, o silício continua com carga neutra, pois a quantidade de elétrons e de prótons é a mesma. Entretanto, quando o silício do tipo n é posto em contato com o silício do tipo p, os elétrons livres do material com dopagem do tipo n preenchem as lacunas do material com dopagem do tipo p. Logo, a camada do tipo n, que cedeu elétrons, fica positivamente carregada; a camada do tipo p, que recebeu elétrons, fica negativamente carregada. Essas cargas aprisionadas dão origem a um campo elétrico permanente que dificulta a passagem de mais elétrons da camada n para a camada p. Este processo alcança equilíbrio quando o campo elétrico forma uma barreira de potencial capaz de impedir o fluxo dos elétrons livres remanescentes no lado n. Está criada a junção pn.

Nessa situação, o efeito fotelétrico pode ocorrer. Quando um elétron da camada p recebe energia externa suficiente do fóton da luz solar incidente na junção pn, ele move-se para a banda de condução e cria o par elétron-lacuna. O campo elétrico existente força o deslocamento desse elétron para a camada n, não permitindo o seu retorno, e, simultaneamente, repele a lacuna para o extremo oposto da camada p. Criada a condição de circulação de corrente elétrica no interior do material semicondutor dopado, a simples colocação de contatos elétricos nas duas extremidades do material permite à tensão elétrica existente entre elas originar corrente elétrica, que produzirá os efeitos desejados na carga externa.


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