PRÁTICA DE ENSINO DE FÍSICA MODERNA
Síntese do estudo
O estudo realizado é fundamental para compreender como ocorre a geração de energia elétrica utilizando a energia solar. Para isso necessitamos entender como é o funcionamento das placas solares, descrito em dois pontos principais: a incidência da luz nas células solares e o que ocorre no interior do material constituinte das placas. Com essa compreensão mais estruturada identifica-se a ocorrência do efeito fotoelétrico nesse processo.
A incidência da luz nas células solares é necessária para que a célula solar - dispositivo semicondutor - realize a transformação da radiação eletromagnética em energia elétrica.
As ondas eletromagnéticas são formadas a partir da combinação de campos elétricos e magnéticos, diferenciando-se pela frequência de emissão e comprimento de onda característico em cada caso.
Quando radiações eletromagnéticas de baixa frequência interagem com determinado material, elas são capazes de extrair elétrons que serão ejetados do material, porém com baixa velocidade. Quando a intensidade dessa luz é aumentada, mais elétrons são ejetados.
Para radiações eletromagnéticas de frequência maior incidindo sobre determinado material, há uma movimentação mais rápida dos elétrons, devido a esta faixa de frequência possuir maior energia. Conclui-se que quanto maior a frequência da radiação, maior será a energia que ela fornece a matéria.
A relação determinada entre energia E (que é a energia de cada fóton) e a frequência f, foi expressa por Max Planck, sendo dada por:
E=hf
A relação entre o comprimento da onda λ e a frequência f que é expressa por:
λ=c/f
Dentro das placas solares os elétrons estão localizados na banda de valência que mediante o fornecimento de determinada quantidade de energia, chegam a banda de condução.
Os elementos utilizados na construção das placas solares são semicondutores – quatro elétrons na camada de valência – os quais fazem ligações covalentes, formando cristais, que não são condutores. Para que a condução de corrente elétrica ocorra e energia seja gerada é necessária a mistura desse cristal com outros elementos, de modo a criar elétrons livres, a dopagem.
Dopagem do tipo N: são adicionados átomos pentavalentes aos cristais de silício. Haverá um elétron em excesso que fica fracamente ligado ao átomo, de modo que necessita-se de apenas uma pequena quantidade de energia para liberar elétrons para a banda de condução.
Dopagem do tipo P: são adicionados elementos do grupo III da tabela periódica aos cristais de silício. Haverá a falta de um elétron para estabelecer as ligações covalentes.
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 tensão de difusão.
Quando a região da superfície do cristal tipo N é iluminada por fótons, os elétrons da camada de valência, absorvem a energia e quando esta supera a energia de ligação entre o elétron e o núcleo, ele se desprende do átomo. Esses elétrons livres são acelerados devido ao campo elétrico. Com essa separação nas cargas a formação de uma diferença de potencial entre as superfícies opostas das células.
Esse efeito de retirar elétrons da superfície de um material é denominado de efeito fotoelétrico, que justamente é a emissão/ejeção de elétrons da superfície de determinado material, devido a incidência de luz.
A energia presente nas ondas eletromagnéticas é absorvida pelos elétrons que orbitam em torno do átomo ao adquirirem energia suficiente, abandonam seus orbitais, sendo liberados do material. A energia cinética desses elétrons retirados do material corresponde ao excesso de energia em sua remoção.
Para que o efeito fotoelétrico aconteça é necessário que a energia dos fótons incidentes seja maior que a energia que liga o elétron ao núcleo. A energia mínima para que o efeito fotoelétrico ocorra é chamada de função trabalho, possuindo um valor específico para cada material .
