NOME ESCOLA___________________________

FÍSICA
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EFEITO FOTOVOLTAICO
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EQUIPE_____________SÉRIE______________
PERÍODO_____________ DATA ____________
Objetivos
1- Utilizar um painel fotovoltaico para ascender leds.
2- Controle de luz com LDR.
3- Armazenamento da energia elétrica gerada no painel fotovoltaico.
Parte Teórica
Introdução
A energia contida na radiação solar que atinge a Terra corresponde a dezenas de milhares
de vezes a nossa demanda global por energia. Portanto, ela é uma fonte das mais importantes e
uma das formas de aproveitá-la é convertendo-a em eletricidade. Existem instalações que
utilizam milhares de painéis fotovoltaicos, capazes de prover energia elétrica a cidades
inteiras. É cada mais vez mais frequente vermos nos telhados das casas painéis geradores de
eletricidade (não confundir com aqueles que aquecem água, que é outra forma de se aproveitar
a energia solar). Assim, novos materiais são intensamente pesquisados para aumentar a
eficiência de sistemas geradores de eletricidade via radiação solar.
O aparecimento de uma corrente elétrica num material quando iluminado denomina-se
efeito fotovoltaico, e foi observado primeiramente em 1839 pelo físico francês Edmond
Becquerel (seu filho, Henry Becquerel, foi o descobridor da radiatividade). Nos dias de hoje
esse efeito é aproveitado principalmente utilizando-se materiais denominados semicondutores.
Para compreender a natureza do efeito e como ele se processa nesses materiais, vamos recordar
alguns conhecimentos básicos sobre a constituição da matéria.
Átomos são constituídos de um núcleo positivo, onde estão os prótons e os neutrons,
circundado por elétrons em igual número e dispostos em camadas eletrônicas. Um exemplo
relevante para nós são os átomos de silício, com catorze elétrons. É um sólido abundante, de
cor cinza e brilho metálico. Quando radiação eletromagnética, usualmente luz, incide nele, um
ou mais de seus elétrons pode ganhar energia suficiente para ser removido do átomo. Isso é
denominado efeito fotoelétrico, cuja compreensão se deve principalmente aos trabalhos de
Albert Einstein de 1905. Existem dispositivos que aproveitam esses elétrons removidos para
gerar uma corrente elétrica: são os painéis fotovoltaicos. Em outra situação, o aparecimento
desses elétrons acaba facilitando a circulação de uma corrente externa imposta ao dispositivo:
são os fotoresistores, por exemplo. Há também materiais semicondutores que quando
submetidos a uma corrente elétrica externa possuem a propriedade de emitir luz: é o caso dos
leds, tão utilizados hoje em dia.
Os tópicos abaixo detalham como a estrutura de materiais semicondutores é responsável
pelas propriedades desses dispositivos. Aqueles interessados em aplicações podem ir
diretamente à Parte Prática mais a frente.
A rede cristalina do silício
Uma corrente elétrica num fio é um fluxo orientado de elétrons. Os metais, como alumínio
ou cobre, são ótimos condutores de eletricidade devido ao grande número de elétrons
fracamente ligados a seus respectivos átomos. Os isolantes, por outro lado, não conduzem
eletricidade porque os elétrons estão fortemente presos a seus átomos. Materiais como silício,
germânio, arseneto de gálio, e outros, conduzem eletricidade bem melhor que os isolantes, mas
não tão bem como os metais, daí serem chamados de semicondutores. Porém, eles passam a
conduzir muito melhor quando uma impureza é adicionada aos mesmos. Por exemplo,
considere o átomo de silício, ilustrado na Fig. 1(a). Ele tem catorze elétrons, sendo quatro em
sua última camada eletrônica, tipo M (essa camada se completa com oito elétrons). Quando
átomos de silício são unidos para formar uma rede cristalina, cada um desses quatro elétrons
da camada M se emparelha a um outro de um átomo vizinho, conforme ilustrado na Fig. 1(b).
Dessa maneira, cada silício fica efetivamente com oito elétrons em sua última camada, ficando
assim totalmente preenchida.
(a)
(b)
Fig.1 (a) Distribuição dos quatorze elétrons do silício. Observe que na última camada eletrônica há quatro
elétrons. (b) Ao formar uma rede, esses quatro elétrons ficam emparelhados com quatro elétrons exteriores de
átomos vizinhos (aqui só está representado os elétrons mais externos). Assim, efetivamente, oito elétrons orbitam
a última camada de cada silício. A distribuição real desses átomos não é plana como dá a entender a ilustração.
Dopagem do silício
Suponha agora que algumas impurezas sejam adicionadas à rede cristalina do silício e que
contenham cinco elétrons em sua última camada. Por exemplo, pode ser fósforo ou arsênio.
Observe na Fig. 2(a) que um elétron fica desemparelhado e como a última camada do silício se
completa com oito elétrons (lembre-se, é uma camada M), esse elétron fica fracamente ligado
a seu átomo, podendo se deslocar na rede cristalina, daí o fato dos semicondutores dopados
conduzirem eletricidade bem melhor que os puros. Esse silício assim dopado recebe a
denominação de tipo N, por ter elétrons (que são negativos) desemparelhados e é representado
na Fig.2(b) por um bloco com a letra N. Podemos também dopar o silício com impurezas
contendo três elétrons na camada mais externa, como o boro. Neste caso vai faltar um elétron
para completar a camada externa do silício (que precisa de oito). Essa ausência do elétron se
chama lacuna ou buraco, e pode ser preenchida com um elétron que venha de um átomo
vizinho, mas que assim deixará uma lacuna nesse último átomo; ou seja, a lacuna pode se
mover na rede cristalina, e novamente esse material dopado passa a conduzir bem melhor a
eletricidade. Sendo a lacuna uma falta de elétron, o material assim dopado recebe a
denominação de tipo P (de positivo) e é representado na Fig. 2(c) por um bloco com a letra P.
Apesar das denominações positivo e negativo, esses blocos dopados são eletricamente neutros.
(a)
(b)
(c)
Fig.2 (a) Rede de silício com impurezas contendo cinco elétrons na última camada. Os elétrons
desemparelhados são relativamente soltos e podem se deslocar na rede. (b) Essa dopagem é denominada tipo N e
é representada por um bloco com a letra N. (c) A dopagem tipo P, feita com impurezas com três elétrons na
camada mais externa, é representada por um bloco com a letra P. Ambos os blocos são eletricamente neutros.
O diodo como uma junção P-N
Blocos de silício tipo P ou N não são de muito interesse quando usados isoladamente.
Porém, se juntamos esses blocos, na interface haverá a migração de muitos elétrons
desemparelhados do lado N (lembre-se, eles são fracamente ligados) para as lacunas presentes no
lado P. Com isso, o lado N fica com falta de elétrons, portanto com carga positiva, e o lado P
com excesso de elétrons, portanto com carga negativa. A Fig.3 ilustra essa situação, onde os
sinais - representam os elétrons que migraram para o bloco P, enquanto os sinais + representam
lacunas ou falta desses elétrons no bloco N.
Fig.3 Ao justapormos um material tipo P com um tipo N haverá uma migração dos elétrons desemparelhados
deste último em direção ao bloco tipo P, que passará a ter carga negativa. Isso deixará o bloco tipo N com falta de
elétrons e portanto positivo. Isso acontece predominantemente numa região estreita em torno da junção dos blocos,
chamada de camada de deplexão.
Ligando o pólo positivo de uma bateria ao bloco P e o negativo ao bloco N, como ilustra a
Fig.4, favoreceremos a migração eletrônica citada acima, e isso facilitará a passagem de uma
corrente de um bloco a outro. Lembre-se que os elétrons saem da bateria pelo pólo negativo e
retornam pelo pólo positivo; o sentido da corrente, por convenção, é oposto ao fluxo dos
elétrons. Se ao contrário, ligarmos o pólo positivo da bateria ao bloco N e o negativo ao bloco P,
dificultaremos a migração dos elétrons na junção e não teremos uma corrente circulando. O
dispositivo assim formado pela junção P-N funciona como uma porta seletiva, que só deixa a
corrente circular num sentido. Ele se chama diodo, e é fundamental na eletrônica moderna. Seu
símbolo é uma seta que indica o sentido permitido para a corrente.
Fig. 4 A junção P-N polarizada na forma indicada favorece a passagem da corrente elétrica, pois injeta elétrons na parte
da junção que já tinha elétrons facilitando a migração destes para o bloco P. O sentido da corrente é contrário ao do fluxo
de elétrons. A polarização reversa bloqueia a corrente. À direita o símbolo do diodo. A seta indica o sentido que a
corrente pode circular no dispositivo.
Os transistores, importantes dispositivos que substituíram muitas válvulas eletrônicas
utilizadas no passado, são constituídos por diversas junções P-N. Pesquise sobre eles!
O efeito fotovoltaico
Suponha que elétrons inicialmente presos a seus átomos na junção P-N recebam energia de
uma radiação incidente e se libertem (esses elétrons fotoemitidos são representados por círculos
na Fig. 5 para distingui-los daqueles sempre presentes na junção). Uma vez soltos, eles serão
repelidos pelos elétrons da junção P-N o que os forçará a se movimentar na direção do bloco N
(que tem falta de elétrons, e portanto é positivo). Com isso, uma corrente poderá se estabelecer
bastando que se conecte o bloco N ao P externamente através de um circuito elétrico. Essa
corrente perdurará enquanto houver radiação incidente. Esse é o efeito fotovoltaico. A Fig. 5
ilustra esse mecanismo.
Fig.5 Luz incidindo na junção P-N libera elétrons (simbolizados por círculos na figura), que são repelidos
(atraídos) pelos elétrons (lacunas) presentes na junção. Isso origina um fluxo de elétrons na direção de P para N, ou
seja, uma corrente elétrica que pode ser aproveitada para acionar algum dispositivo externo, como uma lâmpada por
exemplo.
Os diodos emissores de luz: leds
As famosas lâmpadas leds são formadas por diodos, ou seja, junções P-N com dopantes
especiais, que ao serem atravessadas por uma corrente elétrica externa forçam elétrons a
migrarem da região N para a P. Esses elétrons se recombinam com as lacunas da região P e nesse
processo há emissão luz. Esse mecanismo não envolve aquecimento, como é o caso das
lâmpadas de filamento, por isso os leds consomem bem menos energia para brilharem. São
dispositivos com polaridade, assim como os diodos. Seu símbolo lembra aquele do diodo:
Fig.6 Símbolo do diodo emissor de luz, ou led. Tal como os diodos, os leds também possuem polaridade.
Parte Prática
Nesta sessão você montará alguns circuitos utilizando uma placa fotovoltaica, resistores,
LDR, diodos, leds e uma bateria.
Ascendendo um led com a placa solar
Utilizando a placa solar, o led de invólucro transparente e um resistor, monte na placa de
terminais o seguinte circuito:
Fig.7
Observe cuidadosamente as polaridades da placa fotovoltaica e do led. A corrente sai pelo
terminal positivo (vermelho) da placa e deve entrar pelo terminal positivo (vermelho) do led. O
resistor R é um dispositivo que dificulta a passagem da corrente elétrica, e é aqui colocado em
série com o led para limitar a corrente que passa pelo mesmo, que pode ser excessiva caso a
placa receba muita luz. A corrente retornará à placa pelo seu terminal negativo (preto). Veja
como a orientação da placa relativa à incidência de luz determina o brilho do led.
Podemos ligar uma lâmpada de filamento (que não tem polaridade) diretamente à placa
solar, mas o brilho será bem menor que aquele do led, pois boa parte da corrente irá gerar calor,
que é desperdiçado não sendo convertido em luz. Nos leds mesmo uma corrente bem baixa pode
ascendê-lo e muito pouco calor é gerado.
Resistência dependente da luz: LDR
Como dissemos, um semicondutor conduz muito mal a eletricidade. Mas se incidirmos
radiação em um bloco semicondutor, os elétrons fotoemitidos ficam relativamente soltos na rede
e podem facilitar a passagem de uma corrente externa. Assim, teremos um dispositivo cuja
resistência à passagem da corrente depende do grau de iluminação. Ele se chama fotoresistor ou
LDR (do inglês light dependent resistor). Dopantes podem melhorar o desempenho desses
dispositivos, usualmente feitos de sulfeto de cádmio ou sulfeto de chumbo.
Acrescente o LDR em série ao circuito anterior, conforme a seguinte ilustração:
Fig.8
Mantenha a placa solar em posição fixa na máxima iluminação possível. Enquanto o LDR
estiver iluminado ele oferece baixa resistência à passagem da corrente e assim o led ascende.
Quando no escuro, sua resistência é enorme, a corrente cai muito e o led não ascende. Você pode
imaginar uma aplicação cotidiana para esse dispositivo?
Armazenando Energia Elétrica
A energia elétrica gerada nos períodos de iluminação da placa pode ser armazenada em
baterias para posterior aproveitamento. Ligue a bateria de 3 volts conforme esquema abaixo e
posicione a placa em máxima iluminação por vários minutos. Quanto mais tempo mais energia
será armazenada, até que seja alcançada a capacidade máxima da bateria. Não erre as
polaridades da bateria! O diodo colocado entre a placa e a bateria permite passagem de corrente
apenas no sentido placa - bateria, prevenindo que no período de escuridão a bateria se
descarregue através da placa solar.
Fig.9
Você pode conectar um led aos terminais da bateria e ver que ele ascende mesmo com a
placa sendo retirada do circuito, prova que energia foi armazenada na bateria.
Aproveitando o circuito acima, vamos fazer uma aplicação em que após a bateria ter se
carregado ao Sol, automaticamente durante a noite um dispositivo sinalizador seja acionado.
Ligue o LDR em paralelo com o led de invólucro vermelho e ambos em série com o resistor R,
conforme a Fig. 10 abaixo.
Fig. 10
Durante o dia, com o LDR iluminado ele oferece muito pouca resistência à passagem da
corrente, que assim circula predominantemente por ele e muito pouco pelo led, que portanto não
ascende. Já no escuro, a resistência do LDR é muito alta e a corrente da bateria irá passar pelo
led, que ascenderá. O resistor R limita a corrente durante o dia prevenindo que a bateria se
descarregue. Onde você encontra no dia a dia uma aplicação semelhante a essa? Você notou que
o led utilizado pisca: para isso ele incorpora no interior do seu invólucro um pequeno circuito.
Nos painéis fotovoltaicos usados em residências, ou mesmo em lugares afastados como
fazendas, um dispositivo converte a tensão baixa e contínua da bateria, usualmente 12 volts, em
110 volts de corrente alternada (60 Hz), que pode então alimentar eletrodomésticos, bombas
d´água, etc. Nas rodovias vemos também dispositivos de sinalização alimentados por pequenos
painéis. Hoje em dia painéis fotovoltaicos podem ser adquiridos com relativa facilidade, nos
mais diversos tamanhos, e os custos estão diminuindo conforme a tecnologia avança e a
utilização dos mesmos fique mais frequente.
Referências