Construa uma Célula Solar Básica: Guia Passo a Passo da Tecnologia Fotovoltaica

Como Construir uma Célula Solar Simples? (Passo a Passo) | Princípio Básico de Funcionamento da Célula Fotovoltaica

Introdução à Célula Solar ou Células Fotovoltaicas

Uma célula solar (ou Célula Fotovoltaica) é um dispositivo que produz corrente elétrica seja por ação química, seja convertendo luz em corrente elétrica quando exposta à luz solar. Para este artigo, focaremos apenas em células solares.

Uma célula solar também é conhecida como célula fotovoltaica, que produz corrente elétrica quando sua superfície é exposta à luz solar. Neste artigo, faremos referência à luz solar como radiação eletromagnética (radiação EM).

Em células solares, a quantidade de energia elétrica gerada depende da intensidade da radiação EM que atinge a superfície da célula. A célula solar converte radiação EM em corrente CC. Assim, podemos dizer que uma célula solar é um dispositivo de junção semicondutora que converte a radiação eletromagnética que nos chega do sol em energia elétrica. Como dito, a corrente gerada é CC.

Princípio Básico de Funcionamento de uma Célula Fotovoltaica / Solar

O princípio de operação de uma célula solar é similar à condução em um semicondutor como o silício. Como visto na imagem, a superfície escura é a parte exposta à luz solar. Quando a radiação EM atinge a superfície da célula, ela excita os elétrons, fazendo-os saltar de um nível de energia (órbita) para outro, deixando lacunas (buracos) para trás.

Essas lacunas servem como portadores de carga positiva, enquanto os elétrons servem como portadores de carga negativa. Não se confunda: elétrons ou lacunas não constituem as cargas elétricas. Eles apenas transportam as cargas. Ao fazer isso, a radiação EM é convertida em energia elétrica. Células solares são feitas basicamente de semicondutores como silício e selênio, sendo os mais amplamente utilizados.

Para entender melhor, vejamos os diferentes tipos de material semicondutor, pois são os materiais extensivamente usados na produção de células solares.

Tipos de Semicondutores

Existem dois tipos de semicondutores: intrínsecos e extrínsecos.

Semicondutores Intrínsecos:

São semicondutores puros em sua forma natural. Nenhuma impureza é adicionada para melhorar sua condutividade. Semicondutores deste tipo a zero grau Celsius têm pouquíssimas ou nenhuma lacuna e elétrons livres para condução.

Semicondutores Extrínsecos:

Estes não são puros, pois são dopados (substâncias que servem como impurezas são adicionadas para aumentar sua condutividade). Quando um semicondutor é dopado, encontram-se os seguintes materiais:

• Semicondutores Tipo P

  Formado quando silício, selênio or germânio é dopado com elemento trivalente (três elétrons de valência) como boro. Lacunas (portadores de carga positiva) são os portadores majoritários neste tipo.

• Semicondutores Tipo N

  Elétrons são os portadores majoritários de carga. Transportam cargas negativas. Formados quando silício ou outro semicondutor é dopado com elemento pentavalente (cinco elétrons de valência na camada externa).

• Semicondutores Tipo PN

  Quando semicondutores tipo P e N são unidos por fusão (sujeitando as superfícies de contato a alta temperatura — não derretendo completamente para formarem uma entidade única), uma fronteira ou junção é formada entre eles, da ordem de 10^-3 mm. Essa junção é chamada junção PN. Alta concentração de lacunas de um lado e alta concentração de elétrons do outro faz com que os dois portadores de carga difundam respectivamente para o outro lado da junção.

Como Construir uma Célula Fotovoltaica / Solar Simples?

Silício e selênio são os semicondutores mais extensivamente usados na produção de células solares. Arsenieto de gálio, arsenieto de índio, sulfeto de cádmio, etc., também são usados, mas silício e selênio são os mais comuns.

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

Note que usando materiais baratos não se obterá potência equivalente à de silício ou selênio e, em segundo lugar, quanto maior a superfície do material exposta à radiação EM, mais energia será produzida.

Construção de uma Célula Solar Usando Semicondutor de Silício

Como dito, a superfície é material tipo P. O material tipo P deve ser fino para que a energia luminosa (radiação EM) consiga penetrar a junção e atingir o material tipo N, permitindo a difusão de elétrons e lacunas.

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 células solares são produzidas usando silício, vejamos como produzir uma célula fotovoltaica usando diferentes materiais. Em vez de óxido cuproso, usaremos materiais diferentes. Os materiais necessários são:

• Placas de vidro (lâminas de microscópio, por exemplo)
• Água desionizada
• Multímetro
• Fita transparente
• Prato raso
• Chapa elétrica quente (1100W se possível)
• Solução de dióxido de titânio
• Carbono (lápis de grafite ou lubrificante de grafite)
• Solução de iodeto
• Clipes de fixação (binder clips)
• Clipes jacaré (alligator clips)

No nosso trabalho anterior, o material tipo P ficava voltado para o sol e é mais condutivo comparado ao 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 como tipo N, você deve tratá-las com produtos químicos para que, no final, uma seja mais condutiva que a outra. Os passos são:

1. Limpe bem as superfícies das duas placas de vidro com etanol. Não toque na superfície após a limpeza.
2. Com multímetro, teste a condutividade das superfícies e note a mais condutiva de cada placa. Coloque as placas lado a lado com a superfície condutiva de uma voltada para baixo e a da outra para cima.
3. Aplique fita transparente para manter as placas juntas. A fita deve ser aplicada ao longo de um dos lados longos. Deve sobrepor 1mm das bordas. Coloque também fita na face externa da placa voltada para cima, 4-5mm.
4. Aplique gotas de dióxido de titânio na superfície das placas e espalhe uniformemente. Deixe a solução cobrir a superfície condutiva voltada para baixo.
5. Ao terminar, remova as fitas que mantêm as placas juntas.
6. Coloque a superfície condutiva voltada para cima na chapa quente durante a noite para assar o dióxido de titânio nas placas. Limpe o dióxido de titânio da superfície voltada para baixo e coloque-a em local limpo.
7. Pegue um prato raso e encha com corante feito com suco de amora, framboesa ou romã, etc. Mergulhe a placa revestida com dióxido de titânio (voltada para baixo) por pelo menos 10 minutos.
8. Limpe a outra placa com etanol enquanto a de dióxido de titânio está de molho. Teste a condutividade da superfície após limpar. Marque o lado que não conduz corrente como positivo. Aplique lubrificante de grafite ou lápis de grafite sobre o lado condutivo e cubra toda a superfície.
9. Retire a placa revestida de dióxido de titânio do corante. Enxágue primeiro com água desionizada, depois com etanol. Seque o etanol na placa com papel limpo.
10. Monte as duas placas juntas de forma que os revestimentos se toquem com as placas ligeiramente desalinhadas. Prenda com clipes de fixação. Devem ficar desalinhadas porque as bordas servirão como terminais.
11. Aplique gotas de solução de iodeto no revestimento exposto à luz. Deixe os revestimentos absorverem a solução completamente. A essência da solução de iodeto é ajudar os elétrons a fluir da placa revestida de dióxido de titânio para a revestida de carbono quando expostas à radiação EM. Se houver excesso, limpe a solução na superfície que será exposta ao sol.
12. Prenda um clipe jacaré nas seções do revestimento exposto em cada lado da célula. Um clipe na superfície com grafite (ânodo) e outro na superfície com dióxido de titânio (cátodo). Conecte fios condutores aos clipes e posicione onde a luz incida na superfície da placa. Sua célula solar está pronta! Teste a tensão e corrente com o multímetro. Obviamente a tensão não basta para carregar seu celular, mas você pode fazer uma série destas células para conseguir!

Vantagens do Uso de Célula Solar

Seguem as vantagens:

• Não produz ruído
• Não requer combustível para funcionar
• Sua fonte de energia é gratuita na natureza
• Requer pouca manutenção

Desvantagens do Uso de Células Solares

Desvantagens:

• A superfície da célula precisa ser grande para produzir quantidade razoável de energia elétrica.
• Quando o sol se esconde nas nuvens, a energia gerada cai drasticamente.
• Não podem ser empregadas como fonte de energia principal devido às flutuações na geração.

Aplicações e Usos das Células Solares

Células solares têm inúmeras aplicações apesar das desvantagens:

• Grupos de células solares conectadas em série-paralelo podem ser usados como carregador de bateria
• São extensivamente usadas como fonte de energia para satélites
• Dispositivos fotovoltaicos de silício de múltiplas unidades podem ser usados para detecção de luz em aplicações como leitura de cartões perfurados na indústria de processamento de dados
• Células de germânio dopado a ouro com resposta espectral controlada podem ser usadas como detectores infravermelhos

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