O LED E A F OTOCÉLULA

O LED (Light Emitting Diode) é basicamente formado por uma junção de dois materiais semicondutores fortemente dopados e seu funcionamento deve-se, necessariamente, ao processo conhecido como recombinação. Este processo ocorre quando é aplicado uma tensão nos terminais que favorece a polarização direta na junção, local em que elétrons se recombinam com lacunas emitindo luz (fenômeno da eletroluminescência). Esta e outras propriedades na junção de semicondutores dopados serão melhor discutidas na próxima seção.

Os LEDs são frequentemente usados em dispositivos portáteis como aparelhos de som e vídeo, celulares, relógios e também muito usados em equipamentos científicos e industriais.

Diferentes tipos de LEDs são encontrados para variadas aplicações da eletrônica. LEDs infravermelhos são usados em sistemas de comunicações ópticas, baseados na transmissão de informação por meio de um feixe de luz infravermelho.

Muito mais comum e largamente conhecidos são os LEDs utilizados para fazer lâmpadas indicadoras para painéis de equipamentos eletroeletrônicos. Estas lâmpadas podem ser constituídas por diferentes tipos de materiais semicondutores dopados ou então encapsuladas em diferentes plásticos coloridos para gerar distintas cores (verde, vermelho, alaranjado, etc.).

Atualmente os LEDs vem aos poucos substituindo as lâmpadas fluorescentes garantindo assim maior economia, durabilidade e eficiência. Estes modernos

7 Fônons, em física da matéria condensada, são partículas associadas à energia vibracional que surge a partir de oscilação átomos dentro de um cristal.

58 dispositivos operam com base em processos quânticos de emissão de radiação conhecidos como processos de luminescência.

Rezende (2004) destaca que a forma mais tradicional e relativamente simples de se gerar luz, e muito difundida durante o século XX, era a partir do aquecimento de um material com elevado ponto de fusão e colocado no vácuo ou numa atmosfera inerte para evitar combustão do material. Para gerar luz no espectro do visível a partir das chamadas lâmpadas incandescentes, há um “desperdício” elevado de energia elétrica pois grande parte desta energia é convertida em calor ou radiação infravermelha. O autor aponta que apenas 13% da energia elétrica são convertidos em energia luminosa.

Uma célula solar ou fotocélula é o componente básico dos painéis fotovoltaicos. Este dispositivo é um tipo de fotodiodo com grande área de exposição à radiação, cuja operação se dá em condições de fornecer energia a uma carga externa (REZENDE, 2004). Fotodiodo é, basicamente, um tipo de detector de radiação no qual a eletricidade é produzida por geração de pares elétrons-buracos causada pela absorção de fótons (partículas da luz) no material semicondutor.

O maior interesse para a construção de dispositivos fotovoltaicos se deu a partir de 1970, com a crise no fornecimento de energia no ocidente. No ano de 1990, a crescente conscientização da necessidade de garantir novas fontes de energia alternativas aos combustíveis fósseis, incentivou a expansão da tecnologia fotovoltaica favorecendo a redução de custos.

O funcionamento destes dispositivos se baseia no Efeito Fotovoltaico (EF), inicialmente reportado em 1893 pelo físico experimental francês Edmund Bequerel.

Ele observou a produção de corrente elétrica, a partir da luz, sobre um eletrodo de platina revestida de prata imerso num eletrólito. Cerca de 40 anos após, William Adams e Richard Day perceberam que uma fotocorrente produzida numa amostra de selênio ligada a dois contatos de platina aquecidos. Como nenhuma fonte externa alimentava o circuito, pôde-se concluir que a corrente produzida era proveniente da ação luminosa.

Em 1894, Charles Fritts construiu primeiras células solares construídas a partir de camadas (“wafers”) de selênio entre ouro e outra de metal. A compreensão de que a junção assimétrica dos diferentes materiais em contato contribuía para a ocorrência do EF foi de suma importância para o desenvolvimento de novas

59 estruturas. Goldman e Brodsky haviam percebido em 1914 a existência de uma barreira ao fluxo de corrente (o que é conhecido como retificação de corrente) em uma das interfaces de semicondutor-metal. Esta descoberta foi imprescindível para o desenvolvimento dos diodos a partir de 1930 pelos estudos de Walter Schottky, Neville Mott dentre outros.

A atenção dos pesquisadores era para a fotocondutividade e não necessariamente para o efeito fotovoltaico (NELSON, 2003). O que se sabia era que a corrente produzida era proporcional à intensidade da luz incidente e estava relacionada também com o comprimento de onda desta radiação.

The photovoltaic effect in barrier structures was an added benefit, meaning that the light meter could operate without a power supply. It was not until the 1950s, with the development of good quality silicon wafers for applications in the new solid state electronics, that potentially useful quantities of power were produced by photovoltaic devices in crystalline silicon. (NELSON, 2003, p. 3)

Com o desenvolvimento destes dispositivos construídos por pastilhas (ou

“wafers”) de silício – material semicondutor – houve melhor aproveitamento das propriedades retificadoras dessas estruturas e da energia luminosa para condução de corrente, principalmente com a descoberta da junção PN, constituída de materiais semicondutores dopados.

Rezende (2004) destaca que as melhores células solares comercialmente usadas nos dias atuais são feitas de Si cristalino em forma circular, com diâmetro da ordem de 10cm – com o formato das lâminas obtidas durante o corte do material.

Quando o Si amorfo ou policristalino é confeccionado em formato retangular, um grande painel pode ser montado a partir das células montadas uma ao lado da outra.

Estes últimos materiais constituídos por Si são mais baratos do que o monocristalino no entanto os painéis fotovoltaicos formados por semicondutores III-IV, como GaAs e CdS, garantem maior eficiência na conversão de energia.

A luz do sol ao ser incidida numa célula fotovoltaica pode gerar uma tensão contínua de cerca de 1 Volt e uma fotocorrente próxima de 10 miliampères por cm². A tensão e corrente geradas por uma única célula são insuficientes para a maioria das aplicações práticas. Torna-se necessário a associação destas células em série e em paralelo para construção de módulos com melhores performances elétricas. Esses módulos podem ser utilizados isoladamente ou ligados em paralelo e série de acordo com a potência exigida pela carga.

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