Como funcionam os painéis solares?

Seja em uma calculadora movida a energia solar ou em uma estação espacial internacional, os painéis solares geram eletricidade usando os mesmos princípios eletrônicos que as baterias químicas ou tomadas elétricas padrão. Nos painéis solares, trata-se do fluxo livre de elétrons através de um circuito.

Para entender como os painéis solares geram energia elétrica, pode ser útil fazer uma rápida viagem de volta à aula de química do ensino médio. O elemento básico dos painéis solares é o mesmo que ajudou a criar a revolução dos computadores - o silício puro. Quando o silício é despojado de todas as impurezas, ele cria uma plataforma neutra ideal para a transmissão de elétrons. O silício também possui algumas propriedades atômicas que o tornam ainda mais atraente para a criação de painéis solares.

Os átomos de silício têm espaço para oito elétrons em suas bandas externas, mas carregam apenas quatro em seu estado natural. Isso significa que há espaço para mais quatro elétrons. Se um átomo de silício entra em contato com outro átomo de silício, cada um recebe os quatro elétrons do outro átomo. Isso cria uma ligação forte, mas não há carga positiva ou negativa porque os oito elétrons satisfazem as necessidades dos átomos. Os átomos de silício podem combinar por anos para resultar em um grande pedaço de silício puro. Este material é usado para formar as placas dos painéis solares.

Aqui é onde a ciência entra em cena. Duas placas de silício puro não gerariam eletricidade em painéis solares, porque não têm carga positiva ou negativa. Os painéis solares são criados combinando silício com outros elementos que possuem cargas positivas ou negativas.

O fósforo, por exemplo, tem cinco elétrons para oferecer a outros átomos. Se silício e fósforo são combinados quimicamente, o resultado são oito elétrons estáveis ​​com um elétron livre adicional ao longo do percurso. Ele não pode sair porque está ligado a outros átomos de fósforo, mas não é necessário para o silício. Portanto, essa nova placa de silício / fósforo é considerada carregada negativamente.

Para que a eletricidade flua, também deve ser criada uma carga positiva. Isso é alcançado em painéis solares combinando silício com um elemento como o boro, que possui apenas três elétrons para oferecer. Uma placa de silício / boro ainda tem um ponto para outro elétron. Isso significa que a placa tem uma carga positiva. As duas placas são coladas em painéis solares, com fios condutores passando entre eles.

Com as duas placas no lugar, agora é hora de trazer o aspecto 'solar' dos painéis solares. A luz solar natural envia muitas partículas diferentes de energia, mas a que mais nos interessa é chamada fóton. Um fóton age essencialmente como um martelo em movimento. Quando as placas negativas das células solares são apontadas em um ângulo adequado ao sol, os fótons bombardeiam os átomos de silício / fósforo.

Eventualmente, o nono elétron, que quer ser livre de qualquer maneira, é arrancado do anel externo. Esse elétron não permanece livre por muito tempo, uma vez que a placa positiva de silício / boro o atrai para o ponto aberto em sua própria banda externa. À medida que os fótons do sol quebram mais elétrons, a eletricidade é gerada. A eletricidade gerada por uma célula solar não é muito impressionante, mas quando todos os fios condutores afastam os elétrons livres das placas, há eletricidade suficiente para alimentar motores de baixa amperagem ou outros eletrônicos. Quaisquer que sejam os elétrons não utilizados ou perdidos no ar, eles retornam à placa negativa e todo o processo começa novamente.

Um dos principais problemas com o uso de painéis solares é a pequena quantidade de eletricidade que eles geram em comparação ao seu tamanho. Uma calculadora pode exigir apenas uma única célula solar, mas um carro movido a energia solar exigiria vários milhares. Se o ângulo dos painéis solares for alterado mesmo que ligeiramente, a eficiência poderá cair 50%.

Parte da energia dos painéis solares pode ser armazenada em baterias químicas, mas geralmente não há muito excesso de energia em primeiro lugar. A mesma luz solar que fornece fótons também fornece ondas ultravioleta e infravermelha mais destrutivas, que eventualmente causam a degradação física dos painéis. Os painéis também devem ser expostos a elementos climáticos destrutivos, que também podem afetar seriamente a eficiência.

Muitas fontes também se referem aos painéis solares como células fotovoltaicas, que referenciam a importância da luz (fotos) na geração de tensão elétrica. O desafio para futuros cientistas será criar painéis solares mais eficientes, pequenos o suficiente para aplicações práticas e poderosos o suficiente para criar excesso de energia em momentos em que a luz solar não está disponível.