Como funcionam as células solares – componentes e operações das células solares

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Como funcionam as células solares, quais os principais componentes e operações que constituem as células solares.

A célula solar é o único gerador do sistema fotovoltaico, e é uma das mais importantes partes de todo o sistema fotovoltaico. Os seguintes parágrafos descrevem o que é uma célula solar e como esta funciona.

Célula Solar

A célula solar é um componente eletrónico (Junção P-N) que converte a energia da luz solar em eletricidade (DC) usando o efeito fotovoltaico.

O processo de conversão requer um material que absorva a energia solar (Fotão) e depois eleve um eletrão a um estado mais elevado de energia e de seguida flua esse eletrão energizado para um circuito externo. O silício é um dos materiais que se utiliza neste processo.

A estrutura de uma célula solar é demonstrada na Figura 1 e a configuração de um painel solar na Figura 2.

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Figura 1 – Estrutura de uma Célula Solar

 

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Figura 2 – Configuração de Células Solares

Célula Fotovoltaica

São normalmente fabricadas usando o silício e podem ser de duas variedades cristalinas e filme fino como é demonstrado na tabela 1.

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Figura 3 – Tipos de materiais de Paineis Solares

 

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Tabela 1 – Eficiência de materiais que constituem uma Célula Solar

Saiba mais sobre os principais tipos de células fotovoltaicas constituintes de paineis solares.

Junção P-N

A Junção P-N é formada pela união do Tipo-P (Elevada concentração de lacunas ou défice de eletrões) com o Tipo-N (Elevada concentração de eletrões) do semicondutor.

Durante esta união o excesso de eletrões do Tipo-N tenta difundir-se com as lacunas do Tipo-P e o excesso de lacunas no Tipo-P tenta difundir-se com os eletrões do Tipo-N.

O movimento dos eletrões para o lado do Tipo-P expõe o núcleo dos iões positivos do lado do Tipo-N, enquanto que o movimento das lacunas para o lado do Tipo-N expõe o núcleo dos iões negativos no lado do Tipo-P, resultando um campo de eletrões na união formando assim a região de depleção.

A seguinte animação ajuda a perceber este fenómeno:

Animação da Junção P-N

Corrente gerada através da luz

A produção de corrente numa célula solar é conhecido como “light-generated current” e envolve dois processos importantes.

Recomenda-se visualizar o seguinte link para entender o processo de produção de corrente elétrica através da luz.

Animação do Processo – Produção de corrente através de Luz

Passo 1

Absorção de fotões incidentes para criar pares de Eletrão-Lacuna. Os pares de eletrão-lacuna vão ser gerados na célula solar quando o fotão incide, uma vez que este tem uma maior energia do que a da abertura de faixa.

Contudo os eletrões (Do material Tipo-P) e as lacunas (no material Tipo-N) são meta-estáveis e apenas vão existir por um período igual ao tempo de vida dos portadores minoritários antes de se recombinarem. Se o portador recombinar então par eletrão-lacuna perde-se e não é gerada corrente.

Passo 2

A recolha desses portadores feita pela junção P-N impede essa recombinação usando uma junção P-N para separar espacialmente o eletrão da lacuna. Os portadores são separados pela ação do campo elétrico existente na junção P-N.

Se o portador minoritário atinge a junção P-N é arrastado através da junção pelo campo elétrico na junção onde agora é um portador maioritário. Se o emissor e a base da célula solar são ligados em conjunto (isto é se a célula solar ficar em curto-circuito) então os portadores fluem através do circuito externo.

Efeito fotovoltaico

A recolha dos portadores por si só não produz energia. De modo a produzir energia deve ser gerada tensão bem como corrente.

A tensão e gerada por um processo conhecido como “efeito fotovoltaico”. A recolha dos portadores pela junção P-N provoca um movimento de eletrões para o lado do Tipo-N e de lacunas para o lado do Tipo-P da junção.

Em condições de curto-circuito os portadores saem do dispositivo sob a forma de corrente gerada por luz.

Veja a animação no seguinte link para compreender melhor o processo do efeito fotovoltaico:

Animação do Processo – Efeito Fotovoltaico