Você conhece o efeito fotovoltaico? Graças a ele que ocorre a geração da energia solar fotovoltaica — que pode ser usada para alimentar os aparelhos eletrônicos na sua casa, empresa, indústria ou agronegócio.
Essa é, inclusive, uma das fontes de energias renováveis que mais crescem em todo o mundo, com um aumento de 98 GW desde 2017. Hoje, quase 50% da matriz energética brasileira vem de fontes renováveis.
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O efeito fotovoltaico é o responsável pela geração de energia usando a luz solar. Ele acontece quando a luz solar incide sob um material semicondutor, como um painel solar, promovendo, assim, uma movimentação de elétrons.
O painel solar fotovoltaico, basicamente, é composto por 3 bandas de energia: uma banda de valência completa, uma de condução vazia e um gap de 1 elétron-volt entre elas. Quando o elétron recebe energia, ele migra para a banda de condução — gerando a corrente elétrica.
Para que isso aconteça, o painel solar deve ter, no seu interior, um conjunto de células fotovoltaicas, que podem ser feitas de silício, telurieto de cádmio, disselenieto de cobre e índio, entre outros.
Normalmente, o valor da corrente gerada pelo efeito fotovoltaico é proporcional à radiação solar incidente. Então, quanto maior a radiação, mais elevada será a corrente.
Quem descobriu o efeito fotovoltaico foi o físico francês Alexandre Edmond Becquerel, em 1839. Ele notou que, quando colocava determinados materiais sob a luz do sol, havia a geração de uma leve corrente elétrica.
O efeito fotoelétrico, muitas vezes, é confundido com o efeito fotovoltaico — devido à semelhança dos nomes. O fotoelétrico, contudo, acontece quando um material metálico é exposto à radiação solar e emite uma grande quantidade de elétrons.
Embora seja menos conhecido pela população em geral, esse efeito é usado em vários contextos, como nos sistemas de segurança e alarmes, em controles remotos infravermelhos, no cinema, em interruptores automáticos para a iluminação de ruas e vias públicas, em fotômetros de máquinas fotográficas etc.
Ele acontece graças ao uso de fotocélulas (também chamadas de células fotoelétricas), que transformam a energia luminosa em energia elétrica.
A diferença entre esse efeito e o fotovoltaico é que, no fotoelétrico, o material metálico é que emite elétrons; já no fotovoltaico há o surgimento de uma tensão, com um processo interno — o elétron pula de uma banda de valência para uma de condução.
A célula fotovoltaica compõe o painel fotovoltaico — e é a responsável pelo efeito fotovoltaico e a geração de energia elétrica.
Ela é fabricada em diferentes tipos de materiais semicondutores, que garantem que, quando os fótons de luz atingem as placas, alguns elétrons se desprendam e migrem para a banda com ausência de elétrons, criando a corrente elétrica.
Cada um dos materiais possui características próprias. Saiba mais sobre eles!
Essa é a célula fotovoltaica clássica, composta de uma lâmina de silício purificada dopada com boro e fósforo. A parte dopada com fósforo fica exposta ao sol e a parte dopada com boro fica na parte interior da célula.
Essas células costumam absorver a radiação solar em uma faixa muito estreita. Assim, fótons com energia superior à necessária concedem energia em excesso, que será transformada em calor.
Por outro lado, fótons que não concedem energia suficiente para o efeito fotovoltaico, acabam gerando a conversão de calor.
Para fabricar essa célula, o silício purificado (em forma de policristal) precisa ser transformado em um cristal único. Para isso, um dos métodos mais conhecidos é o Czochralski.
Os painéis com células de silício monocristalino têm um padrão distinto de pequenos diamantes brancos.
Nesse caso, a célula também é produzida com silício purificado, mas o seu processo de fundição é diferente, com o silício sendo fundido em grandes blocos. Esse é o tipo de célula mais usada nos painéis fotovoltaicos modernos, porém, ela é um pouco menos eficiente do que as células de silício monocristalino.
Também chamadas de thin film, esses painéis usam uma tecnologia totalmente diferente das tradicionais células de silício cristalino.
Elas levam menos matéria-prima na sua produção, não têm restrições de forma e podem ser até flexíveis e transparentes. Devido às suas características de absorção de luz, as camadas podem ser bem mais finas.
Contudo, quando comparada à célula de silício, ela é menos eficiente e tem durabilidade menor, em torno de 10 anos.
O silício amorfo é aquele que não tem forma e não possui uma estrutura cristalina, mas sim uma rede irregular. A principal desvantagem do uso dessa célula está na sua baixa eficiência e no custo mais elevado.
Essa célula possui níveis de eficiência superiores às de silício. Contudo, ela é composta por cádmio, que é um material tóxico, e usa índio, um material raro e altamente requisitado pelas indústrias de smartphones, já que é o principal componente das telas touchscreen.
A principal dificuldade para a produção dessa célula é o fato de o cádmio ser tóxico, o que exige procedimentos rigorosos de controle. Assim como a anterior, essas células também não se degradam sob a ação da luz.
É composta por silício cristalizado e uma (ou várias) camadas de película fina, geralmente com silício amorfo, aproveitando um amplo espectro de radiação solar e se tornando mais eficiente na conversão da radiação.
Além dessas, existem outros tipos de células disponíveis. De forma geral, os fabricantes trabalham com técnicas de produção aprimoradas, que visam reduzir as perdas individuais e coletivas das células, alcançando a eficiência máxima.
É válido não confundir a eficiência das células fotovoltaicas com a eficiência dos módulos fotovoltaicos. Afinal, o módulo (ou painel) tem sua eficiência calculada a partir da sua área total e da potência de pico que consegue fornecer.
A eficiência da célula fotovoltaica determina as dimensões do módulo. Então, quanto mais eficiente for a célula, menor será o módulo para uma mesma potência pico.
O efeito fotovoltaico e a célula fotovoltaica são imprescindíveis para a geração de energia solar. Mas o sistema completo envolve mais tecnologias além dos módulos fotovoltaicos.
O processo se inicia quando a luz atinge os painéis solares fotovoltaicos. Os painéis são formados por várias células fotovoltaicas — e no interior delas é que acontece o efeito fotovoltaico.
Porém, a corrente elétrica gerada é contínua. Por isso, os kits contam com o inversor, que é responsável por transformar a corrente em alternada.
Na sequência, essa corrente vai para o quadro de luz e é distribuída para o local de consumo, podendo ser usada pelos equipamentos eletrônicos.
Além da energia solar fotovoltaica, existe a energia fototérmica e a heliotérmica. Entenda!
A energia fototérmica é aquela que tem como foco o aquecimento de água e pode ser usada em casas, prédios, comércios ou indústrias. Esse sistema também utiliza painéis solares, porém do tipo coletor térmico, que capta a energia térmica da radiação solar e transfere para a água, deixando-a aquecida.
Diferentemente dos painéis fotovoltaicos, esses coletores térmicos são fabricados em cobre ou alumínio — ótimos condutores de correntes.
A energia heliotérmica é usada apenas em processos industriais, já que é mais complexa. A energia do sol é acumulada em apenas um ponto, o receptor, constituído de espelhos (concentradores) em uma torre alta. A radiação solar é absorvida e armazenada e depois é transformada, primeiro, em energia mecânica e, depois, em energia elétrica.
A energia solar fotovoltaica apresenta uma série de vantagens interessantes, como:
Como você pôde perceber, o efeito fotovoltaico cumpre um papel essencial na geração de energia solar. Para se aprofundar ainda mais no assunto, confira também nosso conteúdo sobre as etapas do projeto de energia solar!
