Energia solar e efeito fotovoltaico
A conversão fotovoltaica consiste na transformação direta da energia transportada pela luz em energia elétrica por meio de materiais semicondutores. As células fotovoltaicas, também denominadas células solares, absorvem parte da radiação incidente e utilizam essa energia para produzir portadores de carga elétrica. O silício cristalino é o material semicondutor mais empregado na fabricação dessas células, embora existam outras tecnologias fotovoltaicas baseadas em diferentes materiais (Aas, 2025; United States Department of Energy, 2020).
Em uma célula de silício, a absorção de fótons com energia suficiente pode promover elétrons da banda de valência para a banda de condução, originando pares elétron-lacuna. Entretanto, a geração desses portadores não seria suficiente para produzir energia elétrica útil caso eles se recombinassem no interior do material. Nas células fotovoltaicas convencionais, a junção entre regiões semicondutoras dos tipos p e n estabelece um campo elétrico interno que favorece a separação dos elétrons e das lacunas produzidos pela incidência da luz (Fedkin, [s. d.]).
Quando os terminais da célula são conectados a um circuito externo, os portadores de carga podem estabelecer uma corrente elétrica através da carga. O efeito fotovoltaico possibilita, portanto, o surgimento simultâneo de tensão e corrente elétrica, permitindo que a célula forneça potência ao circuito conectado. A quantidade de energia elétrica obtida depende tanto das características da radiação incidente, como intensidade e comprimento de onda, quanto das propriedades e das condições de funcionamento da célula fotovoltaica (United States Department of Energy, 2020).
Constituição da célula fotovoltaica
Uma célula fotovoltaica de silício é constituída por um material semicondutor cuja estrutura eletrônica pode ser representada por bandas de energia. Diferentemente dos níveis discretos de energia de um átomo isolado, a interação entre grande quantidade de átomos no cristal dá origem a conjuntos de estados energéticos permitidos. Entre eles destacam-se a banda de valência e a banda de condução.
A banda de valência reúne os estados eletrônicos associados às ligações do material, enquanto a banda de condução corresponde aos estados nos quais os elétrons apresentam maior mobilidade e podem contribuir para a condução elétrica. O limite superior da banda de valência é representado por (Ev), e o limite inferior da banda de condução, por (Ec). Entre essas bandas existe uma faixa de energias sem estados eletrônicos permitidos, denominada banda proibida ou bandgap. Sua energia é dada por (Eg = Ec – Ev). No silício cristalino, o valor de (Eg) é de aproximadamente 1,12 eV à temperatura de 300 K (PINHO; GALDINO, 2014).
O nível de Fermi, representado por (Efe) na Figura 1, está relacionado à distribuição estatística dos elétrons nos estados disponíveis. Em equilíbrio térmico, ele corresponde à energia na qual a probabilidade de ocupação por um elétron é de 50%. No silício intrínseco, seu valor situa-se aproximadamente no interior da banda proibida, próximo de sua região central. A dopagem do material modifica a posição do nível de Fermi: em um semicondutor tipo (n), ele se aproxima da banda de condução; em um semicondutor tipo (p), aproxima-se da banda de valência.
Quando o semicondutor absorve um fóton cuja energia (hν) é igual ou superior ao bandgap, um elétron pode ser promovido da banda de valência para a banda de condução, deixando uma lacuna na banda de valência. Forma-se, assim, um par elétron–lacuna. Se a energia do fóton for superior a (Eg), a parcela excedente tende a ser transferida para a rede cristalina na forma de calor, em um processo denominado termalização. Fótons com energia inferior ao bandgap não conseguem, por esse mecanismo, promover a transição completa entre as bandas (PINHO; GALDINO, 2014).
A geração de pares elétron–lacuna, isoladamente, aumenta a quantidade de portadores disponíveis no material, mas não garante sua separação e coleta para o fornecimento contínuo de energia a um circuito externo. Para produzir uma célula fotovoltaica, o silício passa por um processo de dopagem, que consiste na introdução controlada de pequenas quantidades de outros elementos químicos em sua estrutura cristalina.
Na formação do silício tipo (n), podem ser introduzidos átomos de fósforo, que possuem cinco elétrons de valência. Quatro deles participam das ligações com os átomos de silício vizinhos, enquanto o quinto fica fracamente ligado e pode tornar-se disponível para a condução. O fósforo é, portanto, denominado impureza doadora, e os elétrons constituem os portadores majoritários do material tipo (n).
Na formação do silício tipo (p), podem ser introduzidos átomos de boro, que possuem três elétrons de valência. Como o boro não fornece os quatro elétrons necessários para completar as ligações com os átomos de silício vizinhos, surge um estado eletrônico não ocupado, denominado lacuna. O boro atua como impureza aceitadora, e as lacunas constituem os portadores majoritários do material tipo (p).
Embora as expressões “tipo (n)” e “tipo (p)” estejam associadas aos portadores majoritários, as duas regiões permanecem eletricamente quase neutras em seu conjunto. A dopagem não transforma uma região inteira em um corpo carregado negativamente e a outra em um corpo carregado positivamente.
Quando as regiões tipo (p) e tipo (n) são colocadas em contato, elétrons difundem inicialmente da região (n) para a região (p), enquanto lacunas difundem da região (p) para a região (n). Próximo à interface, parte desses portadores recombina, deixando expostos átomos dopantes ionizados e fixos na rede cristalina. Forma-se, assim, a região de carga espacial, também denominada região de depleção.
As cargas fixas existentes na região de depleção estabelecem um campo elétrico interno. No equilíbrio e na ausência de iluminação, esse campo se opõe à continuidade da difusão dos portadores. Sob iluminação, pares elétron–lacuna podem ser gerados em diferentes pontos da célula. Aqueles que alcançam a região de coleta antes de recombinar podem ser separados: os elétrons são conduzidos preferencialmente para a região (n), e as lacunas, para a região (p) (PINHO; GALDINO, 2014).
Conforme representado na Figura 2, uma célula fotovoltaica necessita de contatos metálicos que permitam conectar suas regiões ao circuito externo. O contato frontal deve coletar os portadores sem bloquear excessivamente a entrada de radiação, enquanto o contato posterior completa o caminho elétrico. Quando uma carga é conectada aos terminais da célula, os elétrons coletados podem atravessar o circuito externo, transferindo energia elétrica à carga antes de retornarem à outra região da célula.
A superfície frontal também pode receber um filme antirreflexo, cuja função é reduzir a parcela da radiação refletida e aumentar a quantidade de luz que penetra no material semicondutor. A presença desse filme não elimina totalmente as perdas por reflexão nem a dependência do desempenho em relação ao ângulo de incidência da radiação, aspectos que serão retomados na análise da orientação dos painéis.
A célula fotovoltaica constitui, portanto, a unidade básica de conversão da energia luminosa em energia elétrica. Para obter valores de tensão, corrente e potência adequados às diferentes aplicações, múltiplas células são interligadas e encapsuladas, formando um módulo fotovoltaico.
Constituição do painel fotovoltaico
Uma célula fotovoltaica individual produz valores relativamente pequenos de tensão, corrente e potência. Para obter características elétricas adequadas a uma determinada aplicação, múltiplas células podem ser interligadas e encapsuladas, constituindo um módulo fotovoltaico. No uso cotidiano e comercial, esse conjunto também é frequentemente denominado painel solar ou painel fotovoltaico.
As células podem ser associadas em série e em paralelo. Na associação em série, as tensões produzidas pelas células são somadas, enquanto a corrente do conjunto fica limitada pela célula que fornece a menor corrente. Na associação em paralelo, as correntes são somadas, enquanto a tensão permanece aproximadamente igual à tensão de uma das células. A quantidade de células e a forma de interligação são definidas de acordo com a tensão, a corrente e a potência pretendidas para o módulo (Pinho; Galdino, 2014).
Depois de interligadas por condutores metálicos, as células precisam ser protegidas contra umidade, impactos mecânicos, poeira, radiação ultravioleta e variações de temperatura. Em um módulo convencional de silício cristalino, as células são dispostas entre camadas encapsulantes. A face frontal geralmente utiliza vidro temperado de alta transparência, enquanto materiais poliméricos transparentes, como o copolímero de etileno e acetato de vinila (EVA), envolvem e fixam as células.
Na parte posterior, pode ser empregado um filme isolante formado por materiais poliméricos, cuja função é proteger eletricamente e ambientalmente o conjunto. Em módulos convencionais, as camadas são unidas por um processo de laminação, formando uma estrutura resistente e dificultando a entrada de água e contaminantes. Uma moldura, frequentemente fabricada em alumínio anodizado, pode fornecer sustentação mecânica e facilitar a fixação do módulo (Pinho; Galdino, 2014).
Os terminais elétricos do módulo permitem sua ligação ao circuito externo. Em módulos de maior porte, esses terminais normalmente ficam alojados em uma caixa de conexões instalada na parte posterior. Essa caixa também pode conter diodos de bypass, empregados para reduzir determinados efeitos prejudiciais provocados por sombreamento ou incompatibilidade elétrica entre grupos de células. O funcionamento desses diodos será tratado posteriormente na subseção dedicada ao sombreamento.
Os pequenos painéis utilizados neste experimento possuem dimensões de 100 mm × 100 mm e apresentam oito segmentos fotovoltaicos visualmente identificáveis, distribuídos em duas colunas e quatro fileiras. Foram adquiridos como unidades de mesmas especificações, anunciadas comercialmente como 5 V e 5 W. Entretanto, não foi localizada uma ficha técnica que identifique o fabricante, a composição exata das camadas, o tipo de encapsulante, a existência de vidro temperado ou a presença de um revestimento antirreflexo específico. Por esse motivo, as características construtivas gerais dos módulos fotovoltaicos não serão automaticamente atribuídas aos painéis experimentais.
Os valores de tensão e potência informados pelo vendedor também serão tratados como especificações comerciais ainda não comprovadas. A caracterização elétrica das duas unidades será realizada experimentalmente, sob condições comparáveis de iluminação e carga, antes da coleta principal. Essa etapa permitirá verificar o comportamento dos painéis e eventuais diferenças entre eles, evitando que divergências próprias das unidades sejam atribuídas indevidamente ao sistema de rastreamento.