Efeito fotovoltaico explicado: o que acontece dentro de uma célula solar

Uma célula solar não tem peças móveis, não aquece água e não queima nada. Ainda assim, basta colocá-la ao sol para que surja uma tensão entre seus terminais. O fenômeno por trás disso é o efeito fotovoltaico, observado pela primeira vez em 1839 e transformado em tecnologia prática a partir dos anos 1950.

A luz como pacotes de energia

A luz pode ser descrita como um fluxo de fótons, pequenos pacotes de energia. A energia de cada fóton depende do comprimento de onda: a luz azul carrega mais energia por fóton do que a vermelha, e a infravermelha menos ainda.

Quando um fóton atinge o silício, ele pode ser refletido, atravessar o material ou ser absorvido. Só a absorção interessa para a geração de energia.

O papel do semicondutor

O silício é um semicondutor. Em repouso, seus elétrons estão presos às ligações entre os átomos. Para que um elétron fique livre para conduzir corrente, ele precisa receber uma quantidade mínima de energia, chamada de energia de banda proibida (ou bandgap). No silício cristalino, esse valor é de aproximadamente 1,1 elétron-volt.

Um fóton com energia suficiente libera um elétron e deixa, no lugar, uma "lacuna", que se comporta como uma carga positiva. Forma-se um par elétron-lacuna.

A junção p-n: o que separa as cargas

Liberar elétrons não basta. Se nada os orientasse, eles voltariam a se recombinar com as lacunas em frações de segundo, e a energia viraria calor. O que impede isso é a junção p-n.

• A camada tipo n recebe pequenas quantidades de um elemento com elétron extra, como o fósforo.
• A camada tipo p recebe um elemento com um elétron a menos, como o boro ou o gálio.

Na fronteira entre as duas camadas surge um campo elétrico interno. Ele funciona como uma ladeira: empurra os elétrons para o lado n e as lacunas para o lado p. Ligando os dois lados por um circuito externo, os elétrons percorrem esse caminho, e isso é a corrente elétrica.

Da célula ao módulo

Uma única célula de silício produz uma tensão de pouco mais de meio volt. Por isso, dezenas de células são ligadas em série dentro de um módulo, somando as tensões. Os contatos metálicos finos que se veem na frente da célula (os fingers e os busbars) coletam a corrente com o mínimo possível de sombra sobre a superfície.

Por cima vão uma camada antirreflexo, que dá a cor azul-escura ou preta às células, o encapsulante e o vidro temperado. Embaixo ficam o encapsulante e a folha traseira, ou um segundo vidro nos módulos bifaciais.

Por que a eficiência não chega a 100%

Os módulos de silício comerciais convertem algo entre 20% e 24% da luz incidente em eletricidade. As principais perdas são físicas:

• Fótons com pouca energia (infravermelho distante) não liberam elétrons e atravessam ou aquecem o material.
• Fótons com energia de sobra liberam o elétron, mas o excesso vira calor.
• Reflexão e sombra dos contatos metálicos.
• Recombinação de parte dos pares antes de chegarem aos contatos.

Existe um limite teórico para células de uma única junção de silício, em torno de 29% a 30%. As tecnologias mais recentes, como TOPCon e heterojunção, avançam justamente reduzindo a recombinação nas superfícies.

Calor: o inimigo silencioso

Ao contrário do que muitos imaginam, o módulo não gosta de calor. A tensão da célula cai à medida que a temperatura sobe, e a potência cai junto, tipicamente entre 0,3% e 0,4% por grau Celsius acima de 25 °C. Esse valor é o coeficiente de temperatura, informado na ficha técnica.

Corrente contínua, não alternada

O efeito fotovoltaico produz corrente contínua (CC). As tomadas de casa usam corrente alternada (CA). A conversão é feita pelo inversor, assunto do artigo microinversor ou inversor string.

Resumo

1. O fóton é absorvido e libera um elétron no silício.
2. O campo elétrico da junção p-n separa elétron e lacuna.
3. Os contatos coletam as cargas e um circuito externo permite a corrente.
4. Células em série formam o módulo; o inversor converte CC em CA.