O Cálculo da Eficiência da Célula Solar

Quando você se senta na praia, o céu azul que você vê, o calor que sente e as ondas que ouve têm sua fonte na energia da luz solar. As células solares fotovoltaicas são uma forma de converter a energia da luz solar em algo diferente de um dia de férias agradável. As células solares convertem a energia da luz solar em energia elétrica. A eficiência de uma célula solar é a relação entre a quantidade de energia elétrica que ela produz e a quantidade de energia solar que a atinge.

A eficiência de qualquer processo é uma medida de quão bem o processo funciona. Ou seja, quanto esforço você precisa fazer para obter uma saída. Às vezes, a eficiência é difícil de quantificar, mas para células solares, é relativamente fácil. A entrada para uma célula solar é a luz solar e a saída é eletricidade. Mais especificamente, a entrada é a energia da luz solar e a saída é a energia em elétrons.

Em um nível fundamental, a luz consiste em pequenos pacotes de energia chamados fótons. A qualquer momento durante o dia, bilhões de fótons interagem com uma célula solar. Esses fótons carregam diferentes quantidades de energia, dependendo de sua cor. Alguns fótons refletem em uma célula solar, alguns passam por ela e alguns são absorvidos. O destino de qualquer fóton depende de sua energia - ou, equivalentemente, de sua cor. É impossível prever com certeza o comportamento de qualquer fóton específico, mas é possível calcular a probabilidade de interação.

A grande maioria das células solares é feita de semicondutores. Uma das características dos semicondutores são as estruturas de energia chamadas "bandgaps". Os elétrons no lado inferior do bandgap são presos no lugar, enquanto os elétrons que obtêm um impulso de energia para o lado alto do bandgap são livres para se mover - incluindo serem livres para sair do semicondutor completamente e se tornarem úteis na área elétrica circuitos. Os fótons que carregam uma energia próxima ao tamanho do bandgap em uma célula solar são os que têm maior probabilidade de serem absorvidos. Para calcular a eficiência, você precisa multiplicar a energia de cada fóton por sua probabilidade de ser absorvido e sua probabilidade de transformá-lo da célula solar em um circuito elétrico. Esse é um cálculo bastante complexo.

Calcular a eficiência a partir dos primeiros princípios é complicado, mas se você tiver as ferramentas de medição certas, poderá fazer o cálculo com mais facilidade. Com um radiômetro, você pode medir a densidade de potência à luz do sol. Multiplicar a densidade de potência pela área da célula solar fornece uma medida da energia solar que entra na célula solar. Você dá o próximo passo conectando um circuito com um resistor variável, um sensor de corrente e um sensor de tensão. A energia elétrica é o produto da corrente e da voltagem, e muda dependendo da quantidade de carga que a célula solar está conduzindo. Assim, você varia a resistência, calculando a potência a cada passo, e encontra o ponto de potência máxima. Divida a produção máxima de energia elétrica pela entrada de energia solar e você terá a eficiência da célula solar.