Energia Solar - Efeito Fotovoltaico
É essencial que tenhamos alguns conhecimentos básicos sobre Junções PN antes de prosseguirmos para aprender o conceito de Efeito Fotovoltaico.
A junção PN
A junção PN foi inventada pelos laboratórios Russell of Bell nos EUA. Refere-se a uma junção entre dois semicondutores, ou seja, tipo P e tipo N. Russell descobriu que os dois semicondutores têm um comportamento interessante na junção que causa a condução em apenas uma direção.
Um semicondutor do tipo P tem buracos (ausência de elétrons) como portadores de carga majoritários. Um semicondutor Ntype tem elétrons como portadores de carga majoritária.
No diagrama dado acima, na junção -
Cargas extras se difundem pelas junções opostas de modo que o positivo no lado p ganhe cargas negativas e as neutralize.
Da mesma forma, os negativos no lado N ganham cargas positivas e as neutralizam.
Isso forma uma margem (m) em cada lado onde a carga extra é esgotada para tornar esta região neutra e em um estado de equilíbrio. Esta região é conhecida comodepletion layer e nenhuma carga de qualquer lado cruza.
A camada de depleção oferece uma barreira potencial e, portanto, requer tensão externa para superá-la. Este processo é chamadobiasing.
Para conduzir, em forward biasing, a tensão aplicada deve bombear elétrons (negativos) da junção n em direção ao lado p da junção. O fluxo contínuo de corrente garante um movimento constante de elétrons para preencher os buracos, portanto, a condução através da camada de depleção.
Reverter a tensão aplicada, em um processo chamado reverse biasing, faz com que buracos e elétrons se separem, aumentando a camada de depleção.
Uma carga externa é conectada a uma célula solar com terminal positivo conectado aos wafers do lado N e o terminal negativo aos wafers do lado P. Uma diferença potencial é criada porphotovoltaic efeito.
A corrente obtida por elétrons deslocados por fótons não é suficiente para dar uma diferença de potencial significativa. A corrente é, portanto, contida para causar mais colisões e liberar mais elétrons.
Efeito Fotovoltaico
Uma célula solar utiliza o conceito de junção pn para capturar a energia solar. A figura a seguir mostra o nível de fermi de um semicondutor.
Para um semicondutor conduzir, os elétrons devem cruzar o gap de energia da banda de valência para a banda de condução. Esses elétrons requerem alguma energia para se desalojar e se mover através da lacuna de valência. Nas células solares, os fótons emitidos pelo Sol fornecem a energia necessária para superar a lacuna.
Um fóton incidente na superfície pode ser absorvido, refletido ou transmitido. Se for refletido ou transmitido, não ajuda a desalojar um elétron e, portanto, é desperdiçado. Portanto, um fóton deve ser absorvido para fornecer a energia necessária para desalojar e mover os elétrons através do gap de valência.
Se E ph é a energia de um fóton e EG é a energia limite para cruzar a lacuna de energia, então os resultados possíveis, quando o fóton atinge a superfície de um semicondutor são -
Eph < EG - Nesse caso, o fóton não atinge o limiar e apenas passa.
Eph = EG - O fóton tem o limite exato para desalojar um elétron e criar um par de elétrons oco.
Eph > EG- A energia do fóton ultrapassa o limite. Isso cria um par elétron-buraco, embora seja um desperdício, uma vez que o elétron se move de volta para o gap de energia.
Absorção de radiação solar
Na maioria dos casos, o coeficiente de absorção do semicondutor é usado para determinar a eficiência de absorção de energia do sol. Baixo coeficiente significa má absorção. Portanto, o quão longe um fóton vai é um fator tanto do coeficiente de absorção ( α ) quanto do comprimento de onda da radiação ( λ ).
$$ \ alpha \: = \: \ frac {4 \ pi k} {\ lambda} $$
Onde, k é o coeficiente de extinção.