Como os painéis solares funcionam – e quais são as expectativas para o futuro

A energia solar é crucial para nossa sobrevivência como espécie e, felizmente, a indústria está crescendo.

Desde que o Congresso Americano aprovou um crédito fiscal em 2006, a Solar Energy IndustryAssociation (SEIA) afirma que a indústria solar tem apresentado uma taxa média de crescimento anual de 50% na última década.

Na maioria das áreas, não seriam notícias transformadoras, mas a energia solar tem uma missão além de ganhar dinheiro – é para salvar o planeta.

Não há nenhum plano para evitar que o aquecimento global causado pelo homem. Esse fenômeno estátransformando permanentemente o clima da Terra e os painéis solares e a energia limpa podem converter este quadro.

O papel das soluções de energia renováveis na mitigação das mudanças climáticas já foi comprovado, diz o Programa das Nações Unidas para o Desenvolvimento.

Alguns na indústria acham que a energia solar crescerá 6.500% como indústria até 2050, a fim de mitigar essa necessidade.

Apesar de toda a sua importância, os painéis solares ainda parecem misteriosos, vistos como retângulos pretos rígidos e ligeiramente ameaçadores, eles não têm a aparência ou a sensação de um salvador.

Cachoeiras e represas majestosas parecem heroicas, mas os painéis solares não. Então, quais são seus mecanismos internos, como funcionam?

Uma breve história dos painéis solares

O trabalho com energia solar começou em 1839, quando um jovem físico francês chamado Edmond Becquerel descobriu o que hoje é conhecido como efeito fotovoltaico.

Becquerel estava trabalhando nos negócios da família – seu pai, Antoine, era um conhecido cientista francês que estava cada vez mais interessado em eletricidade – quando fez sua descoberta.

Edmond estava interessado em como a luz funcionava. Quando tinha apenas 19 anos, seus dois interesses se encontraram – ele descobriu que a eletricidade podia ser produzida através da luz solar.

Os anos se passaram e a tecnologia deu passos pequenos e constantes. Ao investigar semicondutores, o engenheiro Russell ShoemakerOchs examinou uma amostra de silício rachada e percebeu que ela estava conduzindo eletricidade apesar da rachadura.

Mas o maior salto veio em 25 de abril de 1954, quando o químico Calvin Fuller, o físico Gerald Pearson e o engenheiro Daryl Chapin revelaram que haviam construído a primeira célula solar de silício prática.

Como Ochs, o trio trabalhava para Bell Labs e já havia assumido o desafio de criar esse equilíbrio.

Chapin vinha tentando criar fontes de energia para telefones remotos em desertos, onde as baterias normais acabariam.

Pearson e Fullertrabalhavam no controle das propriedades dos semicondutores. Mais tarde esses estudos seriam usados ​​para alimentar computadores. Cientes do trabalho um do outro, os três decidiram colaborar.

Essas primeiras células solares eram “basicamente dispositivos montados à mão”, diz Robert Margolis, analista sênior de energia do Laboratório Nacional de Energia Renovável (NREL), um laboratório federal em Golden, Colorado dedicado à energia renovável.

Como funcionam os painéis solares?

Para entender como os painéis solares de silício produzem eletricidade, você deve pensar no nível atômico.

O silício tem um número atômico de 14, o que significa que tem 14 prótons em seu centro e 14 elétrons circulando esse centro.

Usando as imagens clássicas dos círculos atômicos, existem três círculos se movendo em torno do centro. O círculo mais interno está cheio com dois elétrons, e o círculo do meio está cheio com oito.

No entanto, o círculo externo, que contém quatro elétrons, está meio cheio e isso significa que ele sempre procurará se preencher com a ajuda de átomos próximos. Quando eles se conectam, eles formam o que é chamado de estrutura cristalina.

Com todos aqueles elétrons se estendendo e se conectando, não há muito espaço para uma corrente elétrica se mover. Devido a isso o silício encontrado nos painéis solares é misturado a outro elemento, como o fósforo, se tornando impuro.

O círculo externo de fósforo tem por volta de cinco elétrons. Dessa forma, o quinto elétron se torna o que é conhecido como “portador livre” e é capaz de transportar uma corrente elétrica sem muito estímulo.

Os cientistas aumentam o número de “portadores livres” adicionando impurezas em um processo chamado doping e o resultado é o que é conhecido como silício tipo N.

O silício tipo N é o que está na superfície de um painel solar e abaixo dele reside seu espelho oposto – silício tipo P.

Já o silício tipo N tem um elétron extra; o tipo P usa impurezas de elementos como gálio ou boro, que têm um elétron a menos.

Isso cria outro desequilíbrio e, quando a luz do sol atinge o tipo P, os elétrons começam a se mover para preencher os vazios uns dos outros. Um ato de equilíbrio que se repete continuamente, gerando eletricidade.

Painéis Solares hoje e no futuro

Hoje em dia, as células fotovoltaicas são produzidas em massa e cortadas por lasers com maior precisão do que qualquer cientista da Bell Labs poderia ter imaginado.

Embora sejam usados ​​no espaço, eles encontraram muito mais propósito e valor na Terra.

Portanto, em vez de colocar ênfase no peso, os fabricantes de energia solar agora enfatizam a resistência e a durabilidade. Adeus vidro encapsulado leve, olá, que resiste às intempéries.

Um dos principais focos em qualquer fabricante de energia solar é a eficiência – quanto da luz solar que incide sobre cada metro quadrado do painel solar pode ser convertida em eletricidade.

É um problema matemático básico que está no centro de toda a produção solar, já que eficiência significa a quantidade de luz solar que pode ser convertida adequadamente em silício do tipo P e N.

“Digamos que você tenha 30 metros quadrados disponíveis em seu telhado”, diz Aggarwal em um caso hipotético.

Nesse espaço limitado, se os painéis forem 10% eficientes, é menos de 20%. Eficiência significa quantos elétrons eles podem produzir por polegada quadrada de pastilhas de silício. Quanto mais eficientes, mais economia podem oferecer.

Há cerca de uma década, diz Margolis, a eficiência solar oscilava em torno de 13%. Em 2019, a eficiência solar aumentou para 20 por cento.

Há uma tendência clara de aumento, mas isso tem um limite com o silício. Devido à natureza do silício como elemento, os painéis solares têm um limite superior de 29 por cento.