HISTORIA DA ENERGIA SOLAR

introdução

 O efeito fotovoltaico foi observado pela primeira vez em 1839 por Edmond Becquerel que verificou que placas metálicas, de platina ou prata, mergulhadas num electrólito, produziam uma pequena diferença de potencial quando expostas à luz. (BECQUEREL, 1839)

Apenas em 1877 tivemos a invenção do primeiro dispositivo de produção de energia elétrica por exposição a luz solar. A invenção foi dos norte-americanos W.G. Adams e R.E. Day, eles se basearam nas propriedades fotocondutoras do selénio. O princípio de funcionamento desse dispositivo se tratava da deposição de um filme de selénio sobre um substrato com duas camadas, a camada de contato frontal era um filme de ouro, e a outra era de ferro. Esses dispositivos foram comercializados como células de selénio na forma de fotómetros para maquinas fotográficas pelo engenheiro Werner Siemens.    

A energia proveniente do Sol vem sendo apropriada pelo homem ao longo de toda sua história. Através dele, por exemplo, são supridas necessidades básicas de aquecimento, iluminação e alimentação (via fotossíntese e cadeias alimentares). No entanto, o uso do Sol como fonte direta para a produção de eletricidade é relativamente recente, datando de meados do século passado. (TOLMASQUIM, 2016)

A partir disso existem duas formas principais de geração de energia de fonte solar: a fotovoltaica, que consiste na conversão da luz solar diretamente em energia elétrica, e também a heliotérmica onde através da geração de energia termelétrica um fluido pode ser aquecido gerando vapor para produzir energia elétrica.

A energia fotovoltaica começou a ser pesquisada com fonte de produção de energia após o desenvolvimento da ciência moderna, que se deu na metade do século XX. Após a teoria de Albert Einstein sobre o efeito fotoelétrico, e a consolidação da mecânica quântica, principalmente com a teoria de bandas e a física dos semicondutores, na pauta de pesquisas tecnológicas. A partir disso, vemos o advento da energia fotovoltaica ganhar força no mundo científico.

objetivos

O nascimento: A primeira célula solar moderna

A primeira célula solar construída teve data em março de 1953, na localidade de Murrey Hill, New Jersey, Estados Unidos. Através de um processo de difusão com a introdução de impurezas em cristais de silício, de maneira a controlar as suas propriedades elétricas. Tudo isso foi executado por um químico dos Bell Laboratories (Bell Labs) chamado Calvin Fuller, sob instruções de Gerald Pearson, colega do Bell Labs. Esse processo é denominado “dopagem”.

Fuller produziu duas barras de sílicio: a primeira é dopa barra é dopada com uma certa concentração de gálio, esta é responsável por conduzir cargas moveis positivas (essa barra é chamada de silício “tipo p”). A segunda barra é de silício dopado mergulhado em um banho quente de lítio, que criou na superfície da barra uma área com excesso de elétrons livres, responsáveis por conduzir a carga negativa (essa barra é chamada de silício “tipo n”).

Assim, há um surgimento de um campo elétrico permanente quando as superfícies dessas duas placas são postas em contato, criando uma junção “p-n” (silício “tipo p” mais silício “tipo n”).

Pearson pode observar experimentalmente, através de um ensaio de caracterização elétrica da amostra, que a amostra conduzia corrente elétrica quando se encontrava exposta a luz. Morton Prince, um físico do Bell Labs, foi convidado por Pearson a testemunhar as descobertas experimentais realizadas, assinando a frequência de laboratório.

Pearson era amigo de um engenheiro, Daryl Chapin, que trabalhava com ensaios de células solares de selénio. Daryl Chapin estudava soluções para substituir baterias elétricas usadas para manter o funcionamento das redes telefônicas, mas a eficiência máxima de conversão de energia das suas células era inferior a 1%. Pearson e Chapin observaram que as células de silício tinham uma eficiência de 4%, bem maior comparada as células de selénio.

Ao continuarem os estudos sobre a célula solar de silílio, eles perceberam que as células apresentavam uma resistência-série elevada, devido as dificuldades na solda dos contatos elétricos do material. Outro problema verificado foi a migração do lítio para o interior da barra de silício, esse fenômeno fazia a junção “p-n” se tornar mais profundo tornando inacessível o contato com o fótons da radiação solar, o que consequentemente reduz a eficiência da célula.

Para resolver o problema migração do lítio, Fuller fez a dopagem da barra de silício “tipo n” por meio da difusão de fósforo. Entretanto, ainda precisava ser resolvido o problema da solda dos contatos eléticos, para isso ele substituiu o gálio por arsênio, na barra de silício “tipo p”, seguida por uma difusão de boro, o que aumentou a eficiência de conversão de energia de 4% para 6%.      

...