De fóton a volt: como funciona uma célula solar?
Introdução: energia solar no semicondutor
Quer se fale em central solar, módulo fotovoltaico ou célula solar, em todos os termos aparece a palavra “solar” – do latim solaris, “relativo ao Sol”. A radiação do nosso Sol, além de essencial para a vida, tem também um enorme potencial técnico.
O princípio de base de qualquer instalação fotovoltaica é sempre o mesmo: a energia luminosa é convertida diretamente em energia elétrica. Isto é possível porque semicondutores específicos, como o silício, libertam eletrões quando são iluminados. Neste artigo fica a saber, passo a passo, como este processo decorre.
Efeito fotovoltaico: a base de tudo
No efeito fotovoltaico, em determinadas condições de material, os fotões (partículas de luz) que incidem sobre o semicondutor fornecem energia suficiente para arrancar eletrões das suas órbitas ligadas ao átomo. Mas como é que da luz se obtém corrente elétrica utilizável? É aqui que entra a junção P‑N.
O que é uma junção P‑N?
A junção P‑N é a zona de fronteira entre dois semicondutores com propriedades de condução diferentes. Esta zona é criada através da dopagem – a introdução controlada de átomos estranhos no silício:
- Silício dopado tipo P (por exemplo, com boro): Tem lacunas (lugares livres para eletrões), comporta‑se como lado positivo (átomos aceitadores)
- Silício dopado tipo N (por exemplo, com fósforo): Tem eletrões livres, comporta‑se como lado negativo (átomos dadores)
- Zona de carga espacial: Na fronteira entre as regiões P e N forma‑se um campo elétrico responsável pela separação de cargas
Os eletrões livres junto à fronteira do lado N difundem‑se para as lacunas do lado P. Este movimento inicial de carga cria o campo elétrico na zona de transição.
Do fóton à tensão: o processo passo a passo
O percurso “de fóton a volt” pode descrever‑se em poucas etapas:
- O fóton atinge a zona de junção: Uma partícula de luz chega à junção P‑N ou à sua vizinhança imediata
- Libertação do eletrão: O fóton transfere a sua energia para um eletrão, que se liberta do átomo e deixa para trás uma “lacuna” com carga positiva
- Separação de cargas: O campo elétrico da zona de carga espacial empurra os eletrões para o lado N e as lacunas para o lado P
- Geração de tensão: A separação espacial das cargas cria uma diferença de potencial elétrico utilizável
- Circulação de corrente: Quando se liga um consumidor, passa a circular corrente elétrica – podem ser alimentados equipamentos domésticos, bombas de calor ou outras cargas elétricas
Einstein e o efeito fotoelétrico
Albert Einstein não recebeu o Prémio Nobel pela célebre teoria da relatividade com a fórmula E = mc², mas sim, em 1921, pela explicação do efeito fotoelétrico. O efeito fotovoltaico é um caso particular desse efeito fotoelétrico.
Sem as descobertas de Einstein, tecnologias atuais como smartphones, internet, microchips e também os sistemas fotovoltaicos não teriam sido possíveis na forma como os conhecemos.
Principais indicadores de uma célula solar
Rendimento (eficiência) do módulo
O rendimento indica que fração da energia solar incidente é efetivamente convertida em energia elétrica:
- Módulos monocristalinos: 18–24% (maior eficiência)
- Módulos policristalinos: 15–20% (boa relação custo‑benefício)
- Módulos de película fina: 8–15% (integração fácil, aplicações flexíveis)
- Células experimentais: Até cerca de 47% em laboratório (células tandem)
Para comparação: uma lâmpada incandescente antiga converte apenas cerca de 5% da energia em luz – o resto perde‑se sob a forma de calor.
Coeficiente de temperatura
À medida que a temperatura do módulo aumenta, a tensão diminui e, com ela, a potência. Valores típicos:
- Por cada aumento de 1 °C na temperatura do módulo, a potência reduz‑se cerca de 0,3–0,5%
- A 40 °C de temperatura de módulo em vez de 25 °C (condição padrão), um módulo perde já cerca de 4,5–7,5% de potência
Sombreamento e díodos de bypass
O sombreamento parcial de um módulo reduz fortemente a corrente – e não apenas de forma proporcional à área sombreada. Os díodos de bypass limitam estas perdas de produção, contornando as células sombreadas.
Escolha de material em resumo
| Tecnologia | Rendimento | Vantagens | Desvantagens |
|---|---|---|---|
| Monocristalino | 18–24% | Maior eficiência, longa vida útil | Custo mais elevado |
| Policristalino | 15–20% | Mais económico, tecnologia consolidada | Eficiência um pouco menor |
| Película fina | 8–15% | Flexível, leve, mais tolerante a sombra | Rendimento mais baixo |
Conclusão
Em resumo: A célula solar é o coração de qualquer sistema fotovoltaico. Graças ao efeito fotovoltaico e à estrutura inteligente com semicondutores dopados, a luz do sol é convertida diretamente em corrente elétrica.
Próximo passo: Estrutura de uma instalação fotovoltaica: do módulo à injeção na rede
Fontes e leitura adicional
- Elektrokompendium: Semicondutores e dopagem
- LeifiPhysik: Células solares de silício
- HTW Berlin: Guia de eficiência para sistemas de armazenamento fotovoltaico
- Solarwissen: Dopagem explicada de forma simples
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