Como funciona uma placa solar?

Já falamos em um post anterior sobre o funcionamento de um sistema de energia solar, mas não entramos em detalhes sobre a geração de energia. Afinal, como uma placa consegue transformar luz em eletricidade? O nome desse fenômeno é efeito fotovoltaico.

Vamos primeiro contar um pouco sobre a história da descoberta do efeito fotovoltaico e fotoelétrico, concluindo na descoberta do fóton por Albert Einstein. Depois explicaremos brevemente como funcionam os semicondutores, o principal constituinte das placas solares, para depois explicar o funcionamento dessas placas solares. Por último, vamos dar uma ideia de como Einstein explicou o efeito fotoelétrico. 

História

Primeira descoberta

O físico francês, Alexandre-Edmond Becquerel, filho do também físico Antoine César Becquerel, descobriu o efeito fotovoltaico em 1839. O experimento que levou à descoberta envolvia a aplicação de luz em varas metálicas de platina cobertas de cloreto e brometo de prata. Esses compostos são usados em fotografia, reagindo quando entram em contato com a luz, formando as imagens. No experimento, Edmond percebeu que as varas de platina possuíam uma tensão em suas extremidades quando expostas a luz. Eventualmente, Edmond fez vários outros  experimentos e descobertas na área da fotoquímica, e seu filho, Antoine Henri Becquerel, descobriu a radioatividade em 1896.

Primeira sistema fotovoltaico

Primeiro sistema fotovoltaico

O inglês William Grylls Adams, e seu aluno, Richard Evans Day, descobriram em 1877 que uma junção de selênio, um semicondutor, e platina também possuem o efeito fotovoltaico. Durante o próximo século, seria descoberto que alguns outros compostos também apresentam esse efeito.  Charles Fritts, um inventor americano, usaria essa descoberta para fazer o primeiro sistema fotovoltaico, que ele instalou em um prédio em Nova Iorque em 1884. Esse sistema não era muito impressionante, pois possuía eficiência de 1%, mas é uma prova do potencial da tecnologia.

O efeito fotoelétrico

Heinrich Rudolf Hertz, famoso descobridor das ondas eletromagnéticas previstas por Maxwell, fez a próxima grande descoberta no assunto. Sua pesquisa com eletricidade envolvia a produção de faíscas elétricas, e os efeitos eletromagnéticos que produziam, e geralmente envolviam a produção de duas faíscas. Uma maior e a outra menor. Uma delas era de difícil visibilidade, então Hertz começou a colocá-la em uma caixa escura para poder ver melhor o efeito. Nisso, ele percebeu que a caixa diminuía o tamanho da faísca. Depois de uma série de experimentos, Hertz concluiu (corretamente) que a luz ultravioleta produzida pela faísca maior causava o aumento do tamanho da faísca menor. Ele também conseguiu perceber, por meio de prismas, que a luz com frequência maior tinha efeitos mais perceptíveis sobre o fenômeno. Hoje, esse fenômeno recebe o nome de efeito fotoelétrico. Hertz não prosseguiu com a pesquisa, e não tentou uma explicação teórica. 

O físico nazista Philipp Eduard Anton von Lenard descobriu que a intensidade da luz não interfere no tamanho da faísca produzida por esse experimento. Juntamente com a descoberta de Hertz, de que a frequência interfere diretamente no tamanho da faísca, a explicação para o fenômeno estava pronta para ser descoberta.

Explicação teórica

Albert EinsteinAlbert Einstein, judeu nascido na Alemanha, e uma das celebridades mais conhecidas do século passado, revolucionou a física em 1905 com seu annus mirabilis, ou ano incrível, onde publicou 4 artigos, cada um significando uma mudança considerável de perspectiva na física.

Em um desses artigos, Einstein finalmente explica o efeito fotoelétrico, usando o conceito de quanta de luz, hoje chamado fóton. Apesar do rigor matemático do artigo publicado por Einstein, e de ser baseado nas observações de Leonard, sua teoria não foi bem aceita no meio científico. Somente em 1916, quando Robert Andrews Millikan publicou experimentos rigorosos sobre o efeito fotoelétrico, que confirmam as previsões de Einstein, que a explicação foi considerada correta pela comunidade científica.

Desenvolvimento comercial

mars odessey 2001Durante a segunda metade do século XX, os avanços ocasionados pela corrida espacial voltou o interesse comercial e político para o melhoramento de placas solares para utilização em satélites e espaçonaves. E a crescente preocupação com o fim de recursos não renováveis e com a poluição ambiental,  a tecnologia tem ganhado destaque no século XXI. É provável que durante as próximas décadas a importância das placas solares cresça exponencialmente.

Semicondutores

Semicondutores são materiais com condutividade elétrica intermediária entre a dos metais e a de materiais isolantes. São muito utilizados em eletrônica, e como placas solares. O principal semicondutor é o silício, mas o selênio e germânio também podem ser classificados como tal.

Semicondutores podem ser “dopados” com impurezas, essas impurezas podem ter a tendência de criarem lacunas de carga e receber elétrons, ou de soltarem seus elétrons e doá- los, dependendo do tipo de impureza. Se existe a tendência de serem criadas lacunas, chamamos o semicondutor do tipo-p, e se a tendência for de soltar elétrons, chamamos de tipo-n.

Podemos considerar essas lacunas como cargas positivas, e elétrons de carga negativa. Assim, cristais tipo-p facilmente recebem elétrons e ficam negativos, e cristais do tipo-n possuem facilidade de perderem elétrons e ficam com carga positiva. Lembrando que cargas opostas se atraem, e cargas iguais se repelem. 

Quando um semicondutor tipo-p for juntado com um do tipo-n, temos um região de junção, chamada região de depleção. Aqui, os elétrons livres do semicondutor tipo-n se movem para as lacunas no semicondutor tipo-p, e essa região fica sem elétrons livres e lacunas. Aqui, os átomos doadores do cristal tipo-n ficam positivos por terem perdido elétrons, e os átomos receptores do cristal tipo-p ficam negativos por terem perdido lacunas e ganhado elétrons. Note que isso ocorre apenas nas proximidades da junção, e o restante do condutor permanece eletricamente neutro. 

Essa região de junção serve de barreira, impedindo que elétrons no semicondutor tipo-n passam para o outro lado. Na verdade, ocorre o oposto, pois surge um campo elétrico que “empurra” os elétrons dentro dessa região para o cristal tipo-n, pois são atraídos a carga positiva. 

Efeito fotovoltaico e fotoelétrico

Primeiro é importante a diferenciação entre os dois efeitos descritos:

  • Fotovoltaico: A geração de uma tensão elétrica entre dois polos a partir de luz, percebido principalmente em semicondutores. Primeiro dos efeitos, descoberto por  Edmond Becquerel. 
  • Fotoelétrico. Último fenômeno descoberto. Criou problemas por não ser explicável pelas leis de Maxwell, até ser explicado por Einstein. É o fenômeno que diz respeito à emissão de elétrons de um metal, quando exposto à luz.

Fica evidente que os fenômenos são semelhantes, e são explicados pela absorção de luz por elétrons, os elétrons se soltam e surgem os fenômenos elétricos.

O efeito fotovoltaico pode ser facilmente explicados em semicondutores com uma junção p-n, os elétrons, quando soltos dos átomos, dispersam no semicondutor, e quando atingem a junção, são empurrados para o semicondutor tipo-n. A acumulação de elétrons dessa forma cria uma tensão (voltagem) que pode criar uma corrente para ser usada como eletricidade.

O efeito fotoelétrico, a princípio, também parece simples de ser explicado. Mas fica difícil quando consideramos os resultados encontrados por Leonard: a intensidade da luz não afeta a velocidade de emissão dos elétrons, mas sim a quantidade, e a frequência da luz, que não deveria ter efeito na velocidade dos elétrons, mas na prática é o único fator que influencia a velocidade dos elétrons. A emissão de elétrons também só ocorre depois de uma certa frequência, que depende do material. Foi Albert Einstein que conseguiu explicar esse aparente paradoxo.

A explicação de Einstein

Em seu artigo, Einstein primeiro ressalta a utilidade da perspectiva da luz se comportar como uma onda para explicar fenômenos ópticos, como a difração e a refração, mas que essa perspectiva não consegue explicar fenômenos de produção e absorção de luz. A sua proposta é de que a luz, quando absorvida ou produzida, se comporta como um número finito de partículas individuais: hoje chamadas de fótons. Cada fóton tem sua energia dependente apenas da frequência da onda de luz. Então um fóton com frequência maior possui energia maior. 

Segundo Einstein, elétrons podem absorver e emitir fótons. Quando a luz é absorvida por um elétron, ele absorve a energia de um e apenas um fóton, que só depende da frequência. O elétron usa essa energia para se soltar do átomo. Isso explica o porquê da intensidade da luz não afetar o tamanho da faísca nos experimentos de Lenard, quando a luz é mais intensa, mais fótons estão presentes, mas cada fóton individual ainda possui a mesma quantidade de energia, dependente apenas da frequência. 

Einstein ainda define uma função trabalho, específica do material fotoelétrico. Essa grandeza representa a energia mínima que um elétron pode absorver. Assim, se a energia do fóton (ou a frequência da luz) não for suficiente, não é emitido nenhum elétron. Isso explica a descoberta de Hertz, que só percebia o efeito no espectro da luz ultravioleta, que tem frequência maior que a luz visível.

Isso é só uma introdução sobre a história do efeito fotoelétrico e fotovoltaico e das placas solares. Explicamos como funciona a geração de eletricidade a partir da luz, sem entrar em muitos detalhes e focando no mecanismo principal de funcionamento, mas na realidade, o funcionamento de uma placa solar moderna é muito mais complexa, e vários mecanismos e fenômenos secundários ocorrem simultaneamente para melhorar a eficiência das placas. Mas não é viável entrar em mais detalhes aqui. Se você se interessar em ver mais conteúdo desse tipo, deixe um comentário e nos siga nas redes sociais. Até a próxima.

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