Célula Solar: Tecnologia de Diodo Fotovoltaico
A célula solar ou diodo fotovoltaico é a base de muitos produtos de energia renovável pequenos e muito grandes e baseia-se na tecnologia de diodos semicondutores.
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Tutorial de Diodo Inclui:
Tipos de diodos | Especificações e classificações de diodos | Diodo de junção PN | LED | Diodo PIN | Diodo de barreira Schottky | Diodo SiC | Célula solar / diodo fotovoltaico | Varactor / varicap | Diodo Zener
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A célula solar ou diodo fotovoltaico tornou-se o centro dos painéis solares usados para geração de eletricidade, bem como para alimentar muitos itens menores de equipamentos eletrônicos.
Nos últimos anos, a importância da célula solar passou de uma tecnologia de uso comparativamente pequeno para uma que agora gera grandes quantidades de eletricidade e um elemento-chave da indústria de energia renovável.
A par desta maior utilização, tem havido um grande investimento na tecnologia de células solares, aumentando o desempenho e em particular a percentagem de conversão de energia, bem como reduzindo os custos de produção.
Desenvolvimento da célula solar/díodo fotovoltaico
O efeito fotovoltaico tem sido observado em materiais há muitos anos – não é tão novo quanto se poderia acreditar.
As primeiras observações foram feitas por Becquerel em 1839, quando observou o efeito em uma junção formada entre um eletrólito e um eletrodo.
Então, em 1876, efeitos semelhantes foram observados no selênio por uma dupla de pesquisadores chamados Adams e Day. Mais tarde, em 1930, Shockley notou que o óxido de cobre produzia os mesmos efeitos. Esta observação foi apoiada por Grondahl em 1933.
À medida que a pesquisa de semicondutores começou a avançar durante e após a Segunda Guerra Mundial, os efeitos fotovoltaicos foram observados com o germânio.
No entanto, não foi por volta de 1954 que a célula solar como tal começou a ganhar mais interesse científico com as descobertas de que o efeito fotovoltaico era visto em células de silício de cristal único.
À medida que a pesquisa de semicondutores aumentou, a célula solar foi mais investigada. Eles foram inicialmente usados para alimentar pequenos dispositivos, pois os níveis de eficiência eram muito baixos. Por volta do final da década de 1990, por exemplo, pequenas calculadoras eram frequentemente alimentadas por uma célula solar.
À medida que o interesse em energia renovável cresceu, também cresceu a pesquisa sobre células solares e níveis de eficiência, bem como o gerenciamento geral de energia.
A necessidade de células solares
As células solares são uma maneira ideal de capturar a energia solar e aproveitá-la.
Há uma grande necessidade de usar energia renovável como o Sol para suprir nossas necessidades de energia elétrica.
Em média sobre a superfície da Terra, cada metro quadrado recebe cerca de 164 watts de energia solar. Esta é uma quantidade colossal de energia e significa que mesmo que uma pequena quantidade dessa energia pudesse ser convertida em energia elétrica, ela seria capaz de atender às nossas necessidades sem a necessidade de queimar combustíveis fósseis.
Até mesmo o requisito de energia portátil pode ser atendido – smartphones movidos a energia solar e similares podem ser possíveis, mesmo que não sejam praticáveis, pois não seriam expostos à luz quando necessário. No entanto, isso demonstra a necessidade de células solares.
Noções básicas de tecnologia de célula solar / diodo fotovoltaico
Em essência, a célula solar é uma forma de diodo de junção PN que foi otimizado para converter energia luminosa em energia elétrica.
Na verdade, ambas as junções PN padrão de diodos Schottky podem ser usadas, embora uma junção PN padrão seja mais comumente usada – P em N ou N em P. A junção PN padrão oferece uma tensão de circuito aberto mais alta junto com um melhor nível de confiabilidade.
A célula solar funciona porque quando a energia solar, ou qualquer luz atinge a junção PN, a eletricidade é gerada.
Um pouco mais especificamente, os fótons de luz penetram na superfície do semicondutor e descem. Os fótons cedem sua energia aos elétrons na região do tipo P, fazendo com que eles tenham energia suficiente para atravessar a junção até a região do tipo N, fazendo com que uma corrente flua em todo o circuito.
Estrutura básica da célula solar de junção PN
Obviamente, existem várias estruturas para diodos fotovoltaicos ou células solares. No entanto, eles tendem a ter muitas semelhanças e geralmente compreendem uma junção PN, geralmente com um substrato do tipo N, uma fina camada do tipo P.
Acima da região P existe uma camada de metalização superior para a conexão superior. Isso consiste em uma região de conexão de metal ao longo de um lado e, em seguida, dedos finos que se estendem. Isso é para minimizar a área de superfície coberta pela metalização, pois isso inibiria a coleta de luz.
Há um revestimento antirreflexo superior para garantir que a luz seja absorvida em vez de coletada e uma camada inferior de metalização para o outro contato.
Normalmente a região superior que normalmente é a região P é mantida fina de forma que a junção tenha entre 0,5 a 1µm de profundidade.
Há uma compensação para a profundidade da junção. Se a junção for muito profunda, descobre-se que ela não é tão eficiente na coleta de portadores que são excitados perto da superfície. Este é um problema maior para a luz que tem um comprimento de onda mais curto.
Se for muito raso, a resistividade da região P superior é aumentada e, novamente, os níveis de eficiência são menores à medida que as perdas resistivas aumentam.
Estrutura de diodo Schottky
Também é possível fabricar uma versão de diodo Schottky de uma célula solar. A camada adicional de metalização tem cerca de 100 Angstroms de espessura e permite a formação de uma junção de diodo de barreira Schottky.
A versão de barreira Schottky da célula solar oferece uma série de vantagens em termos de fabricação e da própria estrutura. Neste primeiro caso, nenhum processamento de alta temperatura é necessário para o dispositivo. Isso evita a difusão aprimorada ao longo dos limites de grão para materiais policristalinos. Não há exigência para a região do tipo P na estrutura do diodo e isso elimina a necessidade de um processo de difusão em alta temperatura. Em vez disso, a junção do diodo é criada pela presença da camada de metalização na superfície.
Outra vantagem é que a junção do diodo está bem na superfície do material e isso dá uma resposta de comprimento de onda curta muito melhor. A desvantagem é que há um nível mais alto de corrente escura.
Resistência em série da célula solar
Tendo em vista que as células solares são usadas para gerar eletricidade, a resistência em série é uma questão fundamental. Se a resistência em série da própria célula solar for alta, uma proporção significativa da energia será dissipada como calor dentro do dispositivo. Isso reduzirá naturalmente a eficiência de conversão do dispositivo.
A resistência em série da célula solar é muito dependente da estrutura da grade de contato usada para fazer contato elétrico perto da junção do diodo na parte superior do dispositivo, ou seja, onde a junção é exposta à luz.
Há um compromisso a ser feito entre o aumento da área de superfície da grade que irá melhorar o contato com a célula solar e também reduzir as perdas ôhmicas na própria grade. No entanto, aumentar a área da grade também reduzirá a área do diodo exposta à luz.
Normalmente existe um valor ótimo que pode ser calculado durante o projeto do processo de fabricação de uma determinada célula solar.
Para ajudar no nível de transmissão de luz na área do diodo ativo, revestimentos não refletivos são frequentemente usados. Além disso, alguns materiais de metalização transparentes para a grade foram testados.
Como funciona uma célula solar
As células solares funcionam permitindo que a energia solar atinja a célula solar e crie carga elétrica que pode fluir no circuito externo.
O feixe de fótons que atinge a célula solar terá energia. Se essa energia exceder a lacuna de energia, ela criará um par elétron-buraco.
A junção PN, seja uma junção PN padrão de uma barreira Schottky, então separará os elétrons e buracos e isso resulta em um fluxo de corrente externa.
Em outras palavras, o processo fotovoltaico consiste em fótons de luz sendo absorvidos pela célula fotovoltaica para produzir portadores em excesso. Estes são então separados pela junção para fazer com que uma corrente flua no circuito externo.
Aplicações de células solares
As células solares são usadas em um grande número de aplicações diferentes. Ao longo do tempo, eles foram usados em muitas áreas:
Células solares de diodos fotovoltaicos estão sendo amplamente utilizadas para converter energia solar em energia elétrica. Como a necessidade de recursos de energia remota, bem como geração de energia renovável, as células solares estão se tornando cada vez mais importantes.
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