Como fazer uma célula solar simples? Funcionamento de células fotovoltaicas

 Como construir uma célula solar simples? (Passo a Passo) | Princípio básico de operação da célula fotovoltaica

Introdução às células solares ou células fotovoltaicas

Uma célula solar (ou Célula Fotovoltaica ) é um dispositivo que produz corrente elétrica por ação química ou pela conversão de luz em corrente elétrica quando exposto à luz solar. Por causa deste artigo, a atenção será dada apenas às células solares.
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Uma célula solar é também conhecida como célula fotovoltaica que produz corrente elétrica quando a superfície é exposta à luz solar. No decorrer deste artigo, faremos referência à luz solar como radiação eletromagnética (radiação EM).

Nas células solares, a quantidade de energia elétrica gerada pelas células depende da intensidade da radiação em que atinge a superfície da célula. A célula solar converte a radiação em em corrente contínua. Assim, podemos dizer que uma célula solar é um dispositivo de junção de semicondutores que converte a radiação eletromagnética que chega até nós do sol em energia elétrica. Como dito acima, a corrente gerada é DC.

Princípio básico de operação de uma célula fotovoltaica/solar

O princípio de operação de uma célula solar é semelhante à condução em um semicondutor como o silício. Como visto na imagem, a superfície escura é a parte que fica exposta à luz solar. Quando a radiação EM atinge a superfície da célula, ela excita os elétrons e, como tal, faz com que eles saltem de um nível de energia (órbita) para o outro, deixando buracos para trás.

Esses buracos servem como portadores de carga positiva, enquanto os elétrons servem como portadores de carga negativa. Não se confunda, os elétrons ou buracos não constituem para dar as cargas elétricas. Eles só carregam as cargas. Ao fazer isso, a radiação EM é convertida em energia elétrica. As células solares são feitas basicamente de semicondutores como o silício e o selênio sendo os mais utilizados.

Para entender melhor, vamos ver os diferentes tipos de material semicondutor, pois os materiais amplamente utilizados na produção de células solares são semicondutores.

Tipos de semicondutores

Temos dois tipos de semicondutores que são semicondutores intrínsecos e extrínsecos.

Semicondutores intrínsecos :

Estes são semicondutores puros em sua própria forma. Nenhuma impureza é adicionada para melhorar sua condutividade. Semicondutores deste tipo a zero grau Celsius têm muito pouco ou nenhum buraco livre e elétrons para condução.

Semicondutores extrínsecos :

Esses tipos de semicondutores não são puros, pois são dopados (substâncias que servem como impurezas estão sendo adicionadas para aumentar sua condutividade). Quando um semicondutor é dopado, os seguintes materiais são encontrados;

• Semicondutores tipo P

  
  Esse tipo de semicondutor é formado quando um silício, selênio ou germânio é dopado com um elemento trivalente (elemento com três elétrons de valência) como o boro. Buracos (portadores de carga positiva) são os principais portadores de carga neste tipo de semicondutor.
  

• N – Tipo Semicondutores

  
  Os elétrons são os principais portadores de carga neste tipo de semicondutor. Eles carregam cargas negativas. Eles são formados quando o silício ou qualquer outro semicondutor é dopado com um elemento pentavalente (elemento com um elétron de cinco valências na camada externa).
  

• PN – Tipo Semicondutores

  
  Quando os semicondutores do tipo P e N são unidos por fusão, isto é, submetendo as superfícies em contato a uma alta temperatura (não as derretendo completamente para que elas formem uma entidade), uma fronteira ou uma junção é formada entre elas que é da ordem 10 ^-3 milímetros. Essa junção formada é chamada de junção PN. A alta concentração de lacunas em um lado de uma junção e a alta concentração de elétrons no outro lado fazem com que os dois portadores de carga se difundam respectivamente para o outro lado da junção.
  

Como construir uma célula fotovoltaica/solar simples?

Silício e selênio são os semicondutores mais amplamente utilizados na produção de células solares. Gálio, arseneto, arseneto de índio e sulfeto de cádmio etc. também estão em uso, mas o silício e o selênio são os mais amplamente utilizados.

Sabendo que materiais semicondutores como silício e selênio podem ser bastante caros, falaremos sobre como construir uma célula solar usando materiais como silício e também como construir uma célula solar usando materiais baratos que podem ser obtidos ao nosso redor.

Observe que o uso de materiais baratos não fornecerá uma saída de potência equivalente em comparação com o uso de silício ou selênio e, em segundo lugar, quanto maior a superfície do material exposto a radiação EM, mais energia será produzida.

Construção de uma célula solar usando semicondutor de silício

Como dito anteriormente, a superfície é um material do tipo P. O material do tipo P deve ser fino para que a energia da luz (radiação EM) possa penetrar na junção e atingir o material do tipo N para permitir a difusão de elétrons e buracos.

O anel niquelado ao redor do material tipo P serve como terminal de saída positivo, enquanto o revestimento na parte inferior do material tipo N serve como terminal de saída negativo.

Como construir uma célula solar simples? (Passo a passo)

Agora que você sabe como as células solares são produzidas usando silício, vamos ver como podemos produzir uma célula fotovoltaica usando diferentes materiais. Em vez de usar óxido cuproso, usaremos materiais diferentes. Os materiais necessários são os seguintes;

• Placas de vidro (tampas para lâminas de microscópio, por exemplo)
• Água deionizada
• Multímetro
• Fita transparente
• Prato raso
• Placa elétrica (1100 W, se possível)
• Solução de dióxido de titânio
• Carvão (lápis de grafite ou lubrificante de grafite)
• Solução de iodeto
• Clipes de fichário
• Clipes de jacaré

Em nosso último trabalho, o material tipo P fica voltado para o sol e é mais condutivo em comparação com o material tipo N. O vidro é um semicondutor com condutividade parcial. Para que uma das placas de vidro atue como material tipo P enquanto a outra material tipo N, é preciso tratá-las com produtos químicos para que, no final, uma delas seja mais condutora que a outra. Os passos são os seguintes.

1. Limpe bem as superfícies das duas placas de vidro com etanol. Não toque na superfície das placas de vidro com a mão após a limpeza.
2. Usando o milímetro, teste a condutividade das superfícies das placas e observe a superfície mais condutora de cada uma das placas. Coloque as placas lado a lado com a superfície condutora de uma das placas voltada para baixo enquanto a outra superfície condutora voltada para cima.
3. Após o passo 2, aplique uma fita transparente para unir as placas de vidro. A fita deve ser aplicada ao longo de qualquer um dos lados longos das placas. A fita deve sobrepor cerca de 1 mm das bordas. Coloque também uma fita na parte externa da placa de vidro voltada para cima de 4 mm a 5 mm.
4. Aplique gotas uniformes de dióxido de titânio na superfície das placas de vidro e espalhe a solução uniformemente. Deixe a solução cobrir a superfície condutora voltada para baixo.
5. Quando terminar de aplicar o dióxido de titânio, remova as fitas que prendem as placas.
6. Coloque a superfície condutora voltada para cima em uma chapa elétrica durante a noite para assar o dióxido de titânio nas chapas. Limpe o dióxido de titânio que está na superfície condutora voltada para baixo e coloque-o em um local limpo.
7. Pegue um prato raso e encha-o com corante feito com suco de amora, framboesa ou romã, etc. Mergulhe a placa revestida de dióxido de titânio que está voltada para baixo por pelo menos 10 minutos.
8. Limpe a outra placa com etanol enquanto a placa de dióxido de titânio está embebida no corante. Teste a condutividade de sua superfície após a limpeza. Marque o lado que não conduz corrente elétrica como positivo. Aplique lubrificante de grafite de lápis de grafite sobre o lado condutor e cubra toda a superfície.
9. Retire a placa revestida com dióxido de titânio do corante. Lave-o primeiro com água desionizada e depois com etanol. Limpe o etanol na placa com um pano limpo.
10. Monte as duas placas juntas de forma que os revestimentos se toquem com as placas ligeiramente deslocadas. Segure as placas no lugar com o auxílio de clipes de fichário. Eles devem ser deslocados porque as bordas servirão como terminais.
11. Aplique gotas de solução de iodeto no revestimento exposto à luz solar. Deixe que os revestimentos sejam completamente embebidos na solução. A essência da solução de iodeto é ajudar os elétrons a fluir da placa revestida de dióxido de titânio para a placa revestida de carbono quando exposta à radiação EM. Se a solução de iodeto estiver em excesso, limpe a solução na superfície a ser exposta à luz solar.
12. Anexe um clipe de jacaré ou um clipe de crocodilo às seções da superfície revestida em ambos os lados da célula. Um clipe fixado à superfície revestida com grafite que serve de suporte enquanto o clipe jacaré fixado à superfície revestida com dióxido de titânio. Este é, naturalmente, o cátodo. Conecte os fios condutores aos clipes e coloque-os em uma posição em que a luz incida na superfície da placa. Sua célula solar já está pronta para uso. Você pode testar a quantidade de tensão e corrente que a célula solar produz usando o multímetro. Obviamente, a voltagem não é suficiente para carregar seu telefone, mas você pode fazer uma sequência dessas células solares para fazer isso!.

Vantagens de usar a célula solar

A seguir estão as vantagens de usar células solares:

• Não produz ruído
• Não requer combustível para ligá-lo
• Sua força motriz é de natureza livre
• Requer pouca manutenção

Desvantagens do uso de células solares

As desvantagens do uso de células solares são

• A superfície da célula deve ser grande para produzir uma quantidade razoável de energia elétrica.
• Quando o sol se esconde nas nuvens, a quantidade de energia gerada será reduzida.
• Eles não podem ser empregados como fonte de energia devido a flutuações na quantidade de energia gerada.

Aplicações e usos das células solares

Células solares tem inúmeras aplicações, apesar de suas desvantagens, que são as seguintes:

• Grupo de séries – células solares conectadas em paralelo podem ser usadas como carregador de bateria
• Eles são amplamente usados ​​como fonte de energia para satélites
• Dispositivos fotovoltaicos de silício de várias unidades podem ser usados ​​para detectar luz em aplicações como leitura de cartões perfurados na indústria de processamento de dados
• Gold – células de germânio dopadas com característica de resposta espectral controlada podem ser usadas como detectores infravermelhos.

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