PRÁTICA DE ENSINO DE FÍSICA MODERNA
Como funcionam os painéis de placas solares?
Tópico 2 - o que ocorre no interior do material constituinte das placas solares
O dispositivo semicondutor possui uma banda de valência e uma banda de condução. Os elétrons estão localizados na banda de valência e para chegarem a banda de condução é necessário fornecimento de determinada quantidade de energia (para superar a lacuna existente), sendo este valor característico de cada material [2].
Observando a Figura 01 é possível identificar que o fornecimento de energia para condutores, semicondutores e isolantes são diferenciados. O que é evidenciado pela representação da distância - lacuna - entre as bandas.
Figura 01: Especificação da banda de condução e valência em condutores, semicondutores e isolantes
Os elementos semicondutores (utilizados na construção das placas solares, tais como o Silício e o Germânio) possuem quatro elétrons na camada de valência, como mostra a Figura 02.
Figura 02: Átomo de Silício com sua distribuição eletrônica [3]
Seus átomos tem ligações covalentes, e que podem ser melhor observadas na Figura 03. Esta estrutura forma os cristais de Silício.
Figura 03: Ligações covalentes no átomo de Silício [3]
Como os cristais de silício são considerados não condutores, devido não existirem elétrons livres. Para que haja a condução é necessária a introdução ou retirada de elétrons na estrutura do cristal, para isso é necessária a mistura desse cristal com outros elementos, de modo a criar elétrons livres. A isso chama-se de dopagem [3].
Quando adicionados átomos pentavalentes (6) aos cristais de silício, haverá um elétron em excesso, o qual fica fracamente ligado com este átomo. Sendo assim, necessita-se de apenas uma pequena quantidade de energia para liberar elétrons para a banda de condução, como pode ser observado na Figura 04. Essa é uma forma de dopagem chamada de dopagem do tipo N [3].
Figura 04: Dopagem do tipo N. Introdução de átomo de Fósforo (P) no cristal de silício [3]
Já quando introduzidos elementos do grupo III (7) da tabela periódica aos cristais de silício haverá a falta de um elétron para estabelecer as ligações covalentes, como pode ser observado na Figura 05. Esta é outra forma de dopagem, chamada de dopagem do tipo P [3].
Figura 05: Dopagem do tipo P. Introdução de átomo de boro (B) no cristal de silício [3]
(6) Átomos pentavalentes são os que tem cinco elétrons na camada de valência. Exemplo de elementos pentavalentes: fósforo, arsênio e antimônio.
(7) São elementos com três átomos na camada de valência. São exemplos desses elementos o alumínio, boro e gálio.
Assim, na junção de cristais do tipo N e P ocorre a difusão dos elétrons de N para P, estabelecendo a redução de elétrons do lado N, que se torna positivo, e acúmulo de elétrons do lado P, tornando-o negativo. Assim ocorre a geração de um campo elétrico nessa região, que alcança equilíbrio quando o campo elétrico forma uma barreira que impede a passagem dos elétrons livres que vem do Cristal tipo N, a isso denomina-se tensão de difusão (8) [2].
Quando a região da superfície do
cristal tipo N é iluminada por fótons, os elétrons da última camada , a camada de valência, absorvem a energia proveniente da incidência dos fótons. Quando esta energia absorvida supera a energia de ligação entre o elétron e o núcleo, o elétron se desprende do átomo. Esses elétrons livres são acelerados devido o campo elétrico, fenômeno que pode ser considerado como a essência do efeito fotoelétrico. Com essa separação nas cargas a formação de uma diferença de potencial entre as superfícies opostas das células [2].
(8) Tensão de difusão é a tensão total gerada através da junção dos cristais do tipo N e P.
No próximo capítulo vamos discutir sobre o efeito fotoelétrico. Clique na seta para ir para a próxima seção.