Como funciona o processo de conversão de energia solar em energia elétrica

Muitos de nós já encontramos células solares de uma forma ou de outra. Alguém já usou ou está usando painéis solares para gerar eletricidade para fins domésticos, alguém usa um pequeno painel solar para carregar seu gadget favorito no campo e alguém certamente já viu uma pequena célula solar em uma microcalculadora. Alguns tiveram a sorte de visitá-lo Planta de energia solar. 

Mas você já se perguntou como funciona o processo de conversão de energia solar em eletricidade? Que fenômeno físico está por trás da operação de todas essas células solares? Vamos nos voltar para a física e entender o processo de geração em detalhes.

Desde o início é óbvio que a fonte de energia aqui é a luz solar ou, cientificamente falando, Energia elétrica é produzido graças aos fótons da radiação solar. Esses fótons podem ser representados como um fluxo de partículas elementares em movimento constante do Sol, cada uma com energia e, portanto, todo o fluxo de luz carrega algum tipo de energia.

De cada metro quadrado da superfície do Sol, 63 MW de energia são emitidos continuamente na forma de radiação! A intensidade máxima dessa radiação cai na faixa do espectro visível - comprimentos de onda de 400 a 800 nm. 

Assim, os cientistas descobriram que a densidade de energia do fluxo de luz solar a uma distância do Sol até a Terra é de 149600000 quilômetros, depois de passar pela atmosfera e ao atingir a superfície de nosso planeta, uma média de cerca de 900 watts por quadrado metro.

Aqui você pode aceitar essa energia e tentar obter eletricidade dela, ou seja, converter a energia do fluxo de luz do sol em energia de partículas carregadas em movimento, ou seja, em eletricidade. 

Para converter luz em eletricidade, precisamos de um conversor fotoelétrico... Esses conversores são muito comuns, são encontrados no comércio livre, são as chamadas células solares - conversores fotovoltaicos em forma de placas cortadas de silício.

Os melhores são monocristalinos, têm uma eficiência de cerca de 18%, ou seja, se o fluxo de fótons do sol tiver uma densidade de energia de 900 W / m2, você pode contar com o recebimento de 160 W de eletricidade de um metro quadrado de um bateria montada a partir dessas células.

Um fenômeno chamado “efeito fotoelétrico” funciona aqui. Efeito fotoelétrico ou efeito fotoelétrico — É o fenômeno da emissão de elétrons de uma substância (o fenômeno do desprendimento de elétrons dos átomos de uma substância) sob a influência da luz ou outra radiação eletromagnética.

Já em 1900Max Planck, o pai da física quântica, sugeriu que a luz é emitida e absorvida por partículas individuais, ou quanta, que mais tarde, em 1926, o químico Gilbert Lewis chamaria de "fótons".

Cada fóton tem uma energia que pode ser determinada pela fórmula E = hv — constante de Planck multiplicada pela frequência de emissão.

De acordo com a ideia de Max Planck, o fenômeno descoberto em 1887 por Hertz e depois exaustivamente estudado de 1888 a 1890 por Stoletov torna-se explicável. Alexander Stoletov estudou experimentalmente o efeito fotoelétrico e estabeleceu três leis do efeito fotoelétrico (leis de Stoletov):

• Em uma composição espectral constante de radiação eletromagnética caindo no fotocátodo, a fotocorrente de saturação é proporcional à irradiação do cátodo (caso contrário: o número de fotoelétrons eliminados do cátodo em 1 s é diretamente proporcional à intensidade da radiação).

• A velocidade inicial máxima dos fotoelétrons não depende da intensidade da luz incidente, mas é determinada apenas por sua frequência.

• Para cada substância existe um limite vermelho do efeito fotoelétrico, ou seja, a frequência mínima da luz (dependendo da natureza química da substância e do estado da superfície) abaixo da qual o fotoefeito é impossível.

Mais tarde, em 1905, Einstein esclareceria a teoria do efeito fotoelétrico. Ele mostrará como a teoria quântica da luz e a lei de conservação e conversão de energia explicam perfeitamente o que acontece e o que é observado. Einstein escreveria a equação para o efeito fotoelétrico, pelo qual ganhou o Prêmio Nobel em 1921:

Funções de trabalho E aqui está o trabalho mínimo que um elétron deve realizar para deixar um átomo de uma substância.O segundo termo é a energia cinética do elétron após a saída.

Ou seja, o fóton é absorvido pelo elétron do átomo, portanto a energia cinética do elétron no átomo aumenta pela quantidade de energia do fóton absorvido.

Parte dessa energia é gasta na saída do elétron do átomo, o elétron sai do átomo e tem a oportunidade de se mover livremente. E os elétrons em movimento direcionado nada mais são do que corrente elétrica ou fotocorrente. Como resultado, podemos falar sobre o aparecimento de EMF em uma substância como resultado do efeito fotoelétrico.

Ou seja, a bateria solar funciona graças ao efeito fotoelétrico que opera nela. Mas para onde vão os elétrons "nocauteados" no conversor fotovoltaico? Conversor fotovoltaico ou célula solar ou fotocélula é semicondutor, portanto, o efeito fotográfico ocorre nele de forma inusitada, é um efeito fotográfico interno, e tem até um nome especial "efeito fotográfico de válvula".

Sob a influência da luz solar, ocorre um efeito fotoelétrico na junção pn de um semicondutor e surge um EMF, mas os elétrons não saem da fotocélula, tudo acontece na camada de bloqueio quando os elétrons saem de uma parte do corpo, passando para outra parte disso.

O silício na crosta terrestre é 30% de sua massa, por isso é usado em todos os lugares. A peculiaridade dos semicondutores em geral reside no fato de não serem condutores nem dielétricos, sua condutividade depende da concentração de impurezas, da temperatura e do efeito da radiação.

O bandgap em um semicondutor é de alguns elétron-volts, e é apenas a diferença de energia entre o nível superior da banda de valência dos átomos, do qual os elétrons são retirados, e o nível inferior de condução. O silício tem um bandgap de 1,12 eV – exatamente o que é necessário para absorver a radiação solar.

Então junção pn. Camadas de silício dopadas na fotocélula formam uma junção pn. Aqui existe uma barreira de energia para os elétrons, eles saem da banda de valência e se movem em apenas uma direção, os buracos se movem na direção oposta. É assim que se obtém a corrente na célula solar, ou seja, a geração de eletricidade a partir da luz solar.

A junção pn, exposta à ação dos fótons, não permite que os portadores de carga — elétrons e lacunas — se desloquem em outra direção que não seja uma só, eles se separam e vão parar em lados opostos da barreira. E quando conectado ao circuito de carga através dos eletrodos superior e inferior, o conversor fotovoltaico, ao ser exposto à luz solar, criará no circuito externo corrente elétrica direta.