Conversão direta da energia
(Parte7 - Pilhas Solares)

Prof. Luiz Ferraz Netto
leobarretos@uol.com.br 

Fótons transportam energia
Todos nossos combustíveis fósseis, como o carvão e o petróleo, devem sua existência à torrente de energia solar na qual a Terra está submersa desde  milhares de milhões de anos. A densidade de energia desse caudal energético supera os 1 400 W/m² na superfície da Terra, o que por unidade de área bastaria para suprir as necessidades de uma família média, caso toda essa energia pudesse ser convertida em energia elétrica. O problema consiste em extrair essa energia dos raios solares com um rendimento elevado.

A temperatura da superfície visível do Sol é de uns 6 000 K. Se aquecermos um objeto até essa temperatura ele irradiará luz visível na faixa do verde-amarelado do espectro (5 500 A*). Nosso aparelho conversor de energia deverá estar sintonizado para tal comprimento de onda.
Os 'pacotes' de energia que chegam do sol recebem o nome de fótons. Viaja à velocidade da luz e cada um deles transporta uma quantidade de energia dada por:

E = hf = hc/l

onde E = energia, em joules; h = constante de Planck, 6,62.10^-34 joules-segundo; f = freqüência da luz, em hertz; c = velocidade da luz, 3,00.10⁸ metros por segundo e l = comprimento de onda, em metros.

Tendo-se em conta que uma unidade angstrom (1 A*) equivale a 10^-10 m, a energia de um fóton de 5 500 A* é igual a:

E = hf = hc/l = (6,62.10^-34.3,00.10⁸)/(5,50.10^-7) = 3,61.10^-19J = 2,2 eV

Se compararmos esse resultado de 2,2 elétrons-volt com a energia necessária para ionizar os átomos ou dissociar as moléculas (que é da ordem de 1 eV), chegaremos à conclusão de que é a grandeza adequada para fazer funcionar os aparelhos de conversão direta baseados nestes fenômenos.

Utilização da energia solar
Tradicionalmente, a utilização mais freqüente da energia solar consistia em concentra-la mediante uma lente convergente ou espelho côncavo e converte-la, posteriormente, em calor. Pode-se fazer, mediante essa técnica, funcionar uma máquina térmica, porém há métodos mais diretos e eficientes.

Há uns 50 anos se descobriu que iluminando-se a junção entre dois condutores de tipo P e N se produz uma diferença de potencial. Este descobrimento foi a base da pilha solar, constituída de dois semicondutores finos, porém de diferentes espessuras, postos em contato. Como se observa na fig. 12 (esquerda), o semicondutor da parte superior, que será exposto ao sol, é muito fino, apenas 2,5 micras de espessura. Os fótons solares podem atravessá-lo facilmente e chegar na superfície de união com outro semicondutor muito mais grosso.

Fig. 12- A foto da direita mostra uma pilha solar utilizada em satélites. Ao fundo se observa um gerador termelétrico esférico, aquecido mediante radioisótopos, que serve de complemento às pilhas solares. Nestas pilhas, os fótons provenientes do sol criam pares elétrons-buracos na região próxima de uma junção P-N.

Sempre que se justapõem semicondutores dos tipos N e P se origina uma diferença de potencial entre as partes da junção, devido aos distintos  buracos e elétrons existentes nas duas regiões. Como nas imediações da fronteira da junção não há portadores de cargas, não se gera energia.
A absorção dos fótons solares nas proximidades da junção cria portadores de carga elétrica, porque a energia dos fótons converte-se em energia potencial dos pares elétron-buraco. Estes pares se re-combinariam rapidamente, cedendo sua energia potencial recém adquirida, se não fosse o campo elétrico existente através da junção que os obriga a deslocarem-se para a carga externa.

A pilha solar desenvolve energia elétrica quando se formam pares elétron-buraco. Qualquer outro fenômeno que forme tais pares também produzirá energia elétrica. A fonte primaria da energia não tem nenhuma importância desde que produza portadores de corrente perto da junção. Em conseqüência, as partículas emitidas por átomos radioativos também podem produzir energia elétrica nas pilhas solares, ainda que um bombardeio por demais intenso possa perturbar a estrutura atômica da pilha e reduzir sua produção de energia.
A pilha solar não é uma máquina térmica. Entretanto, perde tanta energia que seu rendimento é inferior aos 15%. As perdas devem-se  fundamentalmente à recombinação indevida dos elétrons e buracos antes que possam produzir corrente elétrica, a absorção de fótons muitos afastados da junção e pela reflexão de fótons na superfície superior da pilha. Apesar dessas perdas, as pilhas solares constituem a principal fonte de energia não propulsora dos veículos espaciais e satélites.

Segue: Conversão Direta - Parte 8 : Baterias Nucleares