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ENCICLOPÉDIA DE RÁDIO ELETRÔNICA E ENGENHARIA ELÉTRICA O princípio de funcionamento das células solares. Enciclopédia de rádio eletrônica e engenharia elétrica
Enciclopédia de eletrônica de rádio e engenharia elétrica / Fontes de energia alternativa Embora muitos de nós não saibamos, a maneira de gerar eletricidade a partir da luz solar é conhecida há mais de 100 anos. O fenômeno da fotoeletricidade foi observado pela primeira vez por Edmond Becquerel em 1839. Em uma de suas muitas experiências com eletricidade, ele colocou duas placas de metal em uma solução condutora e iluminou a instalação com luz solar. Para sua grande surpresa, ele descobriu que uma força eletromotriz (EMF) foi gerada neste processo. Essa descoberta acidental passou despercebida até 1873, quando Willoughby Smith descobriu um efeito semelhante quando uma placa de selênio foi irradiada com luz. E embora seus primeiros experimentos fossem imperfeitos, eles marcaram o início da história das células solares semicondutoras. Em busca de novas fontes de energia, a Bell Labs inventou a célula solar de silício, que se tornou a precursora dos atuais conversores fotovoltaicos. Só no início dos anos 50. a célula solar atingiu um grau relativamente alto de perfeição. Fundamentos da teoria dos semicondutores O silício é o principal material semicondutor da eletrônica moderna. A maioria das células solares modernas também são feitas de silício. Um semicondutor é uma substância que não é um bom condutor nem um bom isolante. Por exemplo, o cobre é um excelente condutor, seu escopo é muito amplo. Onde quer que seja necessário transferir energia elétrica de um lugar para outro, o cobre é um auxiliar indispensável. O mesmo pode ser dito sobre o alumínio. Por outro lado, o vidro tem condutividade elétrica insignificante, mas é um bom dielétrico. Se você precisar bloquear o caminho da corrente elétrica, um isolador de vidro resolverá esse problema com sucesso. A propósito, os isoladores das peças polares dos primeiros telefones eram de vidro.
A condutividade elétrica dos semicondutores situa-se entre esses dois casos limites. Em algumas aplicações, os semicondutores podem servir como condutores, em outras podem servir como isolantes. No entanto, o silício puro ainda está mais próximo dos isoladores e conduz muito mal a eletricidade. A razão para isso se deve à peculiaridade de sua estrutura cristalina. Os átomos de silício são conectados uns aos outros com a ajuda dos chamados elétrons de valência. É melhor pensar nessas conexões como "mãos". Cada átomo de silício tem quatro braços. Os átomos de silício são muito "sociáveis", não gostam da solidão. Portanto, eles tentam dar "mãos" aos átomos que os cercam. Como cada átomo tem quatro "mãos" com as quais pega as "mãos" de seus vizinhos, juntos eles formam a rede mostrada na Fig. 1. Como resultado, todos os quatro "braços" do átomo estão ocupados. Consequentemente, em tal estrutura não há elétrons livres ("mãos") e, sem elétrons livres, dificilmente é possível uma corrente elétrica. Para as necessidades da eletrônica, esse estado de coisas é inaceitável. Para que a corrente flua, o cristal deve ter elétrons livres. Isto é conseguido através da introdução de impurezas na substância original. Esse processo é chamado de doping. Dopagem de semicondutores Vamos supor que pegamos e substituímos um átomo de silício em nossa estrutura cristalina por um átomo com valência igual a cinco (em outras palavras, com cinco "braços". Por exemplo, esse átomo é um átomo de boro. Uma vez entre seus "novos vizinhos" e levando "mãos" com eles, esse átomo logo descobrirá que uma "mão" dele está livre. (O autor está enganado - átomos de fósforo com valência cinco são usados \uXNUMXb\uXNUMXbcomo doadores (fonte de elétrons livres), e como aceitadores, permitindo que você entre em cargas positivas (buracos) de cristal de silício, são usados átomos de boro, que são caracterizados por uma valência de três. - Aproximadamente. ed.)
Essa "mão" não relacionada nada mais é do que um elétron livre. Como o átomo de boro está mais ou menos satisfeito com o fato de quatro de seus cinco "braços" - elétrons estarem ocupados, ele não está particularmente preocupado com o destino do quinto. À menor perturbação, o elétron se "quebrará". Esta é a essência do doping. Quanto mais impurezas introduzirmos no cristal, mais elétrons livres estarão nele e melhor o silício conduzirá a corrente elétrica. Durante o doping, o processo inverso também pode ocorrer. Se o átomo de silício for substituído por um átomo trivalente, como o fósforo, aparecerá um chamado buraco em nossa estrutura. Consequentemente, há uma escassez de elétrons no cristal, e ele os aceitará prontamente em sua rede. Devido ao fato de que em tal estrutura os átomos tentam capturar elétrons, os buracos resultantes se moverão através da estrutura sem elétrons. Na verdade, os elétrons se movem de buraco em buraco e, assim, conduzem eletricidade. Fabricação de células solares Agora você pode pensar que se você pegar um cristal de silício dopado com falta de elétrons e um cristal dopado com excesso de elétrons e colocá-los juntos, algo deve acontecer.
Com contato mecânico próximo entre dois cristais, os átomos nas regiões próximas à superfície se aproximam tanto que os átomos de fósforo doam facilmente seus elétrons extras e os átomos de boro os aceitam prontamente. Como resultado, o equilíbrio elétrico do cristal é restaurado. Mas lembre-se que os cristais possuem uma estrutura muito rígida, então a troca só ocorrerá entre os átomos que estiverem em contato mais próximo entre si. A espessura da área desse contato não excede o tamanho de vários átomos e o volume do semicondutor permanece inalterado. Claro, é preciso mais do que apenas juntar dois pedaços de silício para obter esse efeito. O silício é mais comumente dopado usando um processo de difusão de alta temperatura. Como resultado, no limite entre as regiões da profundidade do semicondutor, dopadas com diferentes impurezas, forma-se uma região de interface hiperfina, denominada junção pn. É nessa região que ocorre a conversão da luz em eletricidade. Quando uma partícula de luz, chamada fóton, atinge uma junção pn com energia suficiente, ela derruba um elétron, tornando-o livre, ou seja, capaz de se mover. A energia do fóton é então transferida para o elétron. Neste caso, um buraco é formado na rede cristalina. Deve-se ter em mente que a região de transição tende a manter o equilíbrio. Esse processo, chamado de fotoionização, ocorre não apenas na região da junção pn, mas também em qualquer outra parte do cristal, na qual a luz do sol penetra, possuindo uma energia suficientemente grande necessária para criar portadores de carga livres - um elétron e um buraco. Devido ao fato de que há falta de buracos no material do tipo n e falta de elétrons no material do tipo p, o buraco e o elétron são separados e migram em direções diferentes. Mas agora o equilíbrio está desligado. Um elétron que recebeu a energia de um fóton busca se reconectar com seu antípoda (buraco) e está pronto para gastar sua energia com isso. Infelizmente, a junção pn é uma barreira de potencial que o elétron não consegue superar. No entanto, se conectarmos as regiões com condutores do tipo p e n com um condutor, esse obstáculo será superado com sucesso e o elétron "passará" para seu orifício pela "porta dos fundos". Nesse caso, o elétron gasta sua energia ao longo do caminho, que usamos. Características da célula solar A junção pn é um obstáculo formidável ao movimento dos elétrons. Mas não pode ser chamado de irresistível. A energia que um elétron recebe de um fóton geralmente não é suficiente para que ele ultrapasse essa barreira e se conecte a um buraco, mas nem sempre é assim.
A altura da barreira potencial da junção pn é de cerca de 600 mV (0,6 V). Elétrons com energias acima de 600 mV podem "escalar" essa parede e serem absorvidos. Portanto, a tensão máxima que uma célula solar pode desenvolver é de 600 mV. No entanto, o valor real depende do tipo de material semicondutor e do design da célula solar.
Conectar uma carga a uma célula solar reduz a energia de alguns elétrons, inclusive os mais energéticos. Como resultado, a tensão total da célula solar e o número de elétrons que podem superar a barreira da junção pn são reduzidos. À medida que a resistência da carga aumenta, um número crescente de elétrons será “bombeado” através dela e a tensão diminuirá ainda mais. No entanto, em algum momento uma coisa estranha acontece. A 450 mV (0,45 V), a corrente (fluxo de elétrons) para de aumentar, embora a tensão continue a diminuir. O "platô" da corrente é atingido. Este fenômeno é devido ao número finito de fótons incidentes na junção pn. Sabe-se que quanto mais fótons atingem a junção pn, mais elétrons são liberados. Mais fótons - mais corrente. No entanto, chega um momento em que literalmente todo fóton que entrou na junção pn é usado e o número de elétrons livres e, portanto, a corrente, não aumenta mais. Isso corresponde ao aparecimento de um "platô" na característica da célula solar. Obviamente, o número de elétrons livres também depende da área da superfície e da intensidade da luz. Obviamente, conforme a área da célula aumenta, mais fótons são capturados e a corrente aumenta. Da mesma forma, à medida que a intensidade da luz aumenta, a concentração de fótons em uma determinada área aumenta, o que também aumenta a corrente. Eficiência da Célula Solar Normalmente, considera-se que a intensidade média da luz solar que atinge a superfície da Terra é de 100 mW/cm2. Em outras palavras, uma célula solar de 10x10 cm2 teoricamente deveria gerar 10 watts de potência. Infelizmente, nenhuma célula solar pode e não irá gerar tal energia: sempre haverá perdas. A maior eficiência (fator de eficiência) alcançada até agora (e mesmo assim com fotocélulas em cascata no laboratório experimental) é de cerca de 30%. A eficiência de uma célula solar de silício convencional varia de 10 a 13%. Um elemento com área de 100 cm2 pode gerar cerca de 1 watt de potência. Claro, a eficiência de uma célula solar depende de muitos fatores, entre os quais a mudança na temperatura ambiente é o mais significativo. À medida que a temperatura aumenta, a rede cristalina é excitada e seus átomos vibram mais intensamente. Isso, por sua vez, leva a um aumento no nível de energia dos elétrons dentro da estrutura. Com o tempo, quando o nível de energia dos elétrons aumenta tanto que a maioria deles é capaz de superar a barreira de potencial da junção pn, a recombinação aumenta acentuadamente no semicondutor. Isso leva a uma diminuição no número de elétrons que atingem os coletores da rede e a corrente elétrica na carga diminui. Por outro lado, a baixa temperatura contribui para o aumento real do efeito fotoelétrico. A principal razão para a diminuição da eficiência das células solares com o aumento da temperatura é a diminuição do valor da barreira de potencial da junção pn, que leva a uma queda na tensão gerada pela célula. Autor: Byers T.
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