As células solares dependem de um fenômeno conhecido como efeito fotovoltaico, descoberto pelo físico francês Alexandre Edmond Becquerel (1820-1891). Está relacionado ao efeito fotoelétrico, fenômeno pelo qual elétrons são ejetados de um material condutor quando a luz incide sobre ele. Albert Einstein (1879-1955) ganhou o Prêmio Nobel de Física em 1921 por sua explicação desse fenômeno, usando princípios quânticos que eram novos na época. Ao contrário do efeito fotoelétrico, o efeito fotovoltaico ocorre no limite de duas placas semicondutoras, não em uma única placa condutora. Nenhum elétron é realmente ejetado quando a luz brilha. Em vez disso, eles se acumulam ao longo da fronteira para criar uma voltagem. Quando você conecta as duas placas com um fio condutor, uma corrente flui no fio.
A grande conquista de Einstein, e a razão pela qual ele ganhou o Prêmio Nobel, foi reconhecer que a energia dos elétrons ejetada de um placa fotoelétrica dependia - não da intensidade da luz (amplitude), como a teoria das ondas previa - mas da frequência, que é o inverso de Comprimento de onda. Quanto mais curto for o comprimento de onda da luz incidente, maior será a frequência da luz e mais energia possui os elétrons ejetados. Da mesma forma, as células fotovoltaicas são sensíveis ao comprimento de onda e respondem melhor à luz do sol em algumas partes do espectro do que em outras. Para entender por quê, é útil revisar a explicação de Einstein sobre o efeito fotoelétrico.
O efeito do comprimento de onda da energia solar na energia do elétron
A explicação de Einstein do efeito fotoelétrico ajudou a estabelecer o modelo quântico da luz. Cada feixe de luz, chamado de fóton, tem uma energia característica determinada por sua frequência de vibração. A energia (E) de um fóton é dada pela lei de Planck: E = hf, onde f é a frequência eh é a constante de Planck (6,626 × 10−34 joule ∙ segundo). Apesar de um fóton ter uma natureza de partícula, ele também tem características de onda e, para qualquer onda, sua frequência é a recíproca de seu comprimento de onda (que aqui é denotado por w). Se a velocidade da luz é c, então f = c / w, e a lei de Planck pode ser escrita:
E = \ frac {hc} {w}
Quando os fótons incidem sobre um material condutor, eles colidem com os elétrons nos átomos individuais. Se os fótons têm energia suficiente, eles eliminam os elétrons nas camadas mais externas. Esses elétrons ficam então livres para circular pelo material. Dependendo da energia dos fótons incidentes, eles podem ser totalmente ejetados do material.
De acordo com a lei de Planck, a energia dos fótons incidentes é inversamente proporcional ao seu comprimento de onda. A radiação de comprimento de onda curto ocupa a extremidade violeta do espectro e inclui a radiação ultravioleta e os raios gama. Por outro lado, a radiação de comprimento de onda longo ocupa a extremidade vermelha e inclui radiação infravermelha, microondas e ondas de rádio.
A luz solar contém todo um espectro de radiação, mas apenas a luz com um comprimento de onda curto o suficiente produzirá os efeitos fotoelétricos ou fotovoltaicos. Isso significa que uma parte do espectro solar é útil para gerar eletricidade. Não importa o quão brilhante ou fraca seja a luz. Ele apenas precisa ter - no mínimo - o comprimento de onda da célula solar. A radiação ultravioleta de alta energia pode penetrar nas nuvens, o que significa que as células solares devem funcionar em dias nublados - e funcionam.
Função de trabalho e intervalo de banda
Um fóton deve ter um valor mínimo de energia para excitar elétrons o suficiente para expulsá-los de seus orbitais e permitir que se movam livremente. Em um material condutor, essa energia mínima é chamada de função de trabalho e é diferente para cada material condutor. A energia cinética de um elétron liberado pela colisão com um fóton é igual à energia do fóton sem a função de trabalho.
Em uma célula fotovoltaica, dois materiais semicondutores diferentes são fundidos para criar o que os físicos chamam de junção PN. Na prática, é comum usar um único material, como o silício, e dopá-lo com diferentes produtos químicos para criar essa junção. Por exemplo, dopar silício com antimônio cria um semicondutor do tipo N, e dopar com boro produz um semicondutor do tipo P. Elétrons eliminados de suas órbitas se agrupam perto da junção PN e aumentam a voltagem através dela. A energia limite para tirar um elétron de sua órbita e colocá-la na banda de condução é conhecida como gap. É semelhante à função de trabalho.
Comprimento de onda mínimo e máximo
Para que uma tensão se desenvolva através da junção PN de uma célula solar. a radiação incidente deve exceder a energia do gap. Isso é diferente para diferentes materiais. É 1,11 elétron-volts para o silício, que é o material mais usado para células solares. Um elétron volt = 1,6 × 10-19 joules, então a energia do gap é 1,78 × 10-19 joules. Reorganizar a equação de Plank e resolver o comprimento de onda informa o comprimento de onda da luz que corresponde a esta energia:
w = \ frac {hc} {E} = 1.110 \ text {nanômetros} = 1,11 \ vezes 10 ^ {- 6} \ text {metros}
Os comprimentos de onda da luz visível ocorrem entre 400 e 700 nm, então o comprimento de onda da largura de banda para células solares de silício está na faixa do infravermelho muito próximo. Qualquer radiação com comprimento de onda maior, como microondas e ondas de rádio, não tem energia para produzir eletricidade a partir de uma célula solar.
Qualquer fóton com energia superior a 1,11 eV pode desalojar um elétron de um átomo de silício e enviá-lo para a banda de condução. Na prática, entretanto, fótons de comprimento de onda muito curto (com uma energia de mais de cerca de 3 eV) enviam elétrons para fora da banda de condução e os tornam indisponíveis para o trabalho. O limite de comprimento de onda superior para obter trabalho útil do efeito fotoelétrico em painéis solares depende sobre a estrutura da célula solar, os materiais utilizados na sua construção e o circuito características.
Comprimento de onda de energia solar e eficiência celular
Em suma, as células PV são sensíveis à luz de todo o espectro, desde que o comprimento de onda esteja acima da lacuna de banda do material usado para a célula, mas a luz de comprimento de onda extremamente curto é desperdiçada. Este é um dos fatores que afetam a eficiência da célula solar. Outra é a espessura do material semicondutor. Se os fótons tiverem que percorrer um longo caminho através do material, eles perdem energia por meio de colisões com outras partículas e podem não ter energia suficiente para desalojar um elétron.
Um terceiro fator que afeta a eficiência é a refletividade da célula solar. Uma certa fração da luz incidente reflete na superfície da célula sem encontrar um elétron. Para reduzir as perdas por refletividade e aumentar a eficiência, os fabricantes de células solares geralmente revestem as células com um material não reflexivo e absorvente de luz. É por isso que as células solares geralmente são pretas.