O efeito PV consiste na transformação direta da luz em energia elétrica, recorrendo-se a células PV (solares). É o fenómeno que dá origem à produção de energia elétrica a partir da radiação solar. Este processo envolve a utilização de materiais semicondutores como o silício, o arsenieto de gálio, telurieto de cádmio ou disselenieto de cobre e índio. Sendo, a célula de silício cristalino a mais usual [24]. Em 1839, o físico francês Alexandre Edmond Becquerel, observou pela primeira vez o efeito PV que consiste no surgimento de uma diferença de
potencial nos extremos de uma estrutura de material semicondutor, produzida pela absorção da luz incidente [25].
A célula PV é a unidade fundamental do processo de conversão. Em 1954, um químico dos laboratórios Bell, Calvin Fuller produziu a primeira célula PV de silício, que rapidamente atraiu o interesse do programa espacial norte-americano devido à potência por unidade de peso ser vantajosa. O aperfeiçoamento destas células para aplicações espaciais conduziu à aplicação da tecnologia PV em instalações terrestres, sendo futuramente mais aperfeiçoada [26].
De forma a compreender o comportamento dos materiais que são utilizados nas células PV, basta considerar que a sua estrutura atómica possui protões e neutrões concentrados no núcleo do átomo e eletrões que permanecem em órbitas de diferentes níveis de energia em redor do núcleo: a permanência nas órbitas mais internas, mais próximas do núcleo, corresponde aos eletrões de menos energia relativamente à permanência nas órbitas mais externas. Este modelo constitui o chamado modelo de átomo de Bohr, que é razoavelmente bom para se compreender o comportamento dos materiais que são usados nas células PV [26].
Cada átomo do elemento silício, cujo número atómico é 14, possui 14 eletrões distribuídos em três órbitas em redor do núcleo: 2 eletrões na órbita interna, 8 eletrões na órbita intermédia e 4 eletrões na órbita externa. Os eletrões da órbita externa de cada átomo interagem com os dos átomos vizinhos, formando estruturas sólidas. Cada átomo faz uma ligação covalente com cada um de outros quatro átomos vizinhos, permitindo que esses quatro átomos passem a ter as suas órbitas externas completas, com oito eletrões cada, formando uma estrutura cristalina [26].
Cada uma dessas ligações covalentes entre os eletrões de diferentes átomos pode ser quebrada se um dos eletrões receber energia externa suficiente para se afastar mais do seu respetivo núcleo, livrando-se da atração deste. Com isso, o eletrão deixa a banda de valência, em que não se pode movimentar livremente, passando para a banda de condução. A saída do eletrão da banda de valência deixa uma lacuna elétrica, o que cria o par eletrão-lacuna, originado a partir do aumento da energia do eletrão [26].
Se esse eletrão livre, com bastante energia, fosse direcionado para um circuito elétrico, seria, então, criada uma corrente elétrica. Porém, o material é composto apenas por átomos de silício, pois o eletrão livre associa-se imediatamente a uma lacuna originada pela saída de outro eletrão – processo no qual perde energia, deixa a banda de condução e retorna à banda de valência sem se dirigir a uma carga externa. A energia perdida pelo eletrão é transformada em calor e dissipada. Então, para que se produza a desejada corrente elétrica, é necessário que haja um processo que acelere os eletrões livres para fora do material, para um circuito externo. Isso pode ser conseguido com a aplicação de um campo elétrico. O material das células PV é preparado de forma a possuir um campo elétrico permanente, que surge por consequência de uma junção resultante de uma adequada dopagem do material semicondutor [26].
Quando átomos com cinco eletrões de ligação na última camada de valência (como, por exemplo, o fósforo) são adicionados ao silício, que possui apenas quatro eletrões nessa situação, a estrutura cristalina resultante é constituída da seguinte forma: quatro eletrões do fósforo unem-se a quatro átomos de silício vizinhos, enquanto o quinto eletrão do fósforo não realiza nenhuma ligação, permanecendo ligado ao seu átomo de origem por meio de uma ligação bastante fraca, de pouca energia. No caso de este eletrão receber uma pequena quantidade de energia térmica, disponível mesmo à temperatura ambiente, a sua ligação ao núcleo é quebrada, sendo libertado e direcionado para a banda de condução. Nesse caso, o fósforo é um material dopante doador de eletrões, denominado dopante n; essa dopagem é denominada dopagem do tipo n, sendo o substrato dito de silício N [26].
Numa outra configuração, em que sejam adicionados ao silício átomos com apenas três eletrões na última camada de valência (como, por exemplo, o boro), uma das ligações com os quatro átomos de silício vizinhos não será realizada, ficando uma lacuna. De modo análogo ao caso anterior, com pouca energia térmica, um eletrão vizinho pode passar a esta posição, criando, no local da sua saída, uma nova lacuna e fazendo com que a lacuna se desloque de um local para outro. Sendo assim, o boro é um material dopante que aceita eletrões, denominado dopante p; essa dopagem é denominada dopagem do tipo p, sendo o substrato denominado de silício P [26]. A Figura 2.9 apresenta a dopagem dos semicondutores, pela adição de fósforo (P) e boro (B) ao silício.
Figura 2.9 - Dopagem dos semicondutores [27].
Mesmo com dopagem, o silício continua com carga neutra, pois a quantidade de eletrões e de protões é a mesma. Entretanto, quando o silício do tipo n é posto em contacto com o silício do tipo p, os eletrões livres do material com dopagem do tipo n preenchem as lacunas do material com dopagem do tipo p. Logo, a camada do tipo n, que cedeu eletrões, fica positivamente carregada; a camada do tipo p, que recebeu eletrões, fica negativamente carregada. Essas cargas aprisionadas dão origem a um campo elétrico permanente que dificulta a passagem de mais eletrões do substrato tipo n para o substrato tipo p. Este processo alcança
o equilíbrio quando o campo elétrico forma uma barreira de potencial capaz de impedir que os eletrões livres remanescentes no substrato do tipo n passem para o substrato tipo p. Deste modo, é assim criada uma junção PN (Figura 2.10) [26].
Figura 2.10 - Junção PN em equilíbrio térmico, sem tensão aplicada [28].
A Figura 2.10 mostra esquematicamente os resultados da criação da junção PN: a variação ao longo da junção da concentração de portadores, lacunas (linha a vermelho) e eletrões (linha a azul); a cinzento a localização das zonas neutras, em termos de carga elétrica, e as zonas carregadas positivamente a vermelho e negativamente a azul. Ainda nessa figura, os gráficos por baixo da junção mostram a variação da densidade de carga, do campo elétrico e da tensão criada ao longo da junção [28].
Perante esta situação, o efeito PV pode ocorrer. Quando um fotão da luz incidente na junção PN transmite energia a um eletrão da camada p, este move-se para a banda de condução e cria o par eletrão-lacuna. O campo elétrico existente força o deslocamento desse eletrão para a camada n, não permitindo o seu retorno, e simultaneamente, repele a lacuna para o extremo oposto da camada p. Criada a condição de circulação de corrente elétrica no interior do material semicondutor dopado, a simples colocação de contactos metálicos nas duas extremidades do material permite à tensão elétrica existente entre elas originar corrente elétrica, que produzirá os efeitos desejados na carga externa [26].
A junção funciona como um díodo pois a aplicação de uma diferença de potencial, com a tensão positiva aplicada no material do tipo p, diminui a barreira de potencial e permite que a corrente atravesse a interface, a aplicação de uma diferença de potencial inversa aumenta a barreira de potencial e não permite a passagem de corrente [28].
Uma célula PV não armazena energia elétrica, apenas mantém o fluxo de eletrões com a carga enquanto a luz continuar a incidir sobre ela. E a intensidade da corrente elétrica produzida irá variar proporcionalmente conforme a intensidade da luz incidente na célula PV. No caso de não estar nenhuma carga ligada à célula PV, a tensão obtida aos seus terminais denomina-se tensão de circuito-aberto [29]. Na Figura 2.11 podemos observar o princípio de funcionamento de uma célula PV.
Figura 2.11 - Princípio de funcionamento de uma célula PV [30].