O que é energia solar?
O que é energia solar fotovoltaica?
Origem da energia solar:
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.
Mais tarde, em 1877, dois inventores norte americanos, W.G. Adams e R.E. Day, utilizaram as propriedades fotocondutoras do selénio para desenvolver o primeiro dispositivo sólido de produção de electricidade por exposição à luz.
Tratava-se de um filme de selénio depositado num substrato de ferro e com um segundo filme de ouro, semitransparente, que servia de contacto frontal. Apesar da baixa eficiência de conversão, da ordem de 0,5%, nos finais do século XIX o engenheiro alemão Werner Siemens (fundador do império industrial com o seu nome) comercializou células de selénio como fotómetros para máquinas fotográficas.
A história da energia fotovoltaica teve de esperar os grandes desenvolvimentos científicos da primeira metade do século XX, nomeadamente a explicação do efeito fotoeléctrico por Albert Einstein em 1905, o advento da mecânica quântica e, em particular, a teoria de bandas e a física dos semicondutores, assim como as técnicas de purificação e dopagem associadas ao desenvolvimento do transístor de silício: sem a ciência moderna, seria impensável o nascimento da energia solar eléctrica. As descobertas acidentais e o desenvolvimento empírico nunca nos teriam levado a ultrapassar o limiar de eficiência que a tornou viável.
A primeira célula solar moderna: A história da primeira célula solar começou em Março de 1953 quando Calvin Fuller, um químico dos Bell Laboratories (Bell Labs), em Murray Hill, New Jersey, nos Estados Unidos da América, desenvolveu um processo de difusão para introduzir impurezas em cristais de silício, de modo a controlar as suas propriedades eléctricas (um processo chamado “dopagem”). Fuller produziu uma barra de silício dopado com uma pequena concentração de gálio, que o torna condutor, sendo as cargas móveis positivas (e por isso é chamado silício do “tipo p”). Seguindo as instruções de Fuller, o físico Gerald Pearson, seu colega nos Bell Labs, mergulhou esta barra de silício dopado num banho quente de lítio, criando assim na superfície da barra uma zona com excesso de electrões livres, portadores com carga negativa (e por isso chamado silício do “tipo n”). Na região onde o silício “tipo n” fica em contacto com o silício “tipo p”, a “junção p-n”, surge um campo eléctrico permanente.
Ao caracterizar electricamente esta amostra, Pearson verificou que produzia uma corrente eléctrica quando a amostra era exposta à luz. Pearson tinha acabado de fazer a primeira célula solar de silício. Morton Prince, um outro físico dos Bell Labs, conta numa entrevista como Pearson ficou surpreendido com a descoberta e o chamou ao laboratório para que testemunhasse as medidas, assinando o seu caderno de laboratório.
Entusiasmado, Pearson foi ter com o engenheiro Daryl Chapin, também seu colega nos Bell Labs, que estudava soluções para substituir as baterias eléctricas que mantinham em funcionamento redes telefónicas remotas. Chapin ensaiara células solares de selénio, conhecidas há muito, mas com resultados decepcionantes: a eficiência máxima que conseguira era bem inferior a 1%. Ensaiando a nova célula, Chapin e Pearson verificaram que a eficiência de conversão era de cerca de 4%, muitas vezes maior do que a melhor célula de selénio.
Continuando o estudo da nova célula, rapidamente o grupo encontrou vários obstáculos. Por um lado a célula revelava uma resistência-série muito significativa, devida à dificuldade em soldar contactos eléctricos ao material. Por outro lado, mesmo à temperatura ambiente, verificaram que o lítio migrava para o interior do silício, pelo que a junção p-n (a “zona activa” da célula solar) ficava cada vez mais profunda e inacessível aos fotões da radiação solar, diminuindo assim a eficiência da célula.
Fuller experimentou fazer a dopagem do tipo n usando uma difusão de fósforo, e obteve uma junção p-n mais estável do que a anterior. Porém, o problema dos contactos persistia.
Foi então que Fuller substituiu o gálio por arsénio (formando um substrato do tipo n) seguido por uma difusão de boro (formando uma zona do tipo p à superfície). As novas células podiam agora ser facilmente soldadas e revelaram uma eficiência recorde, atingindo 6%.
Perante estes resultados, e depois de o Pentágono ter autorizado a sua publicação, a primeira célula solar foi apresentada na reunião anual da National Academy of Sciences, em Washington, e anunciada numa conferência de imprensa no dia 25 de Abril de 1954.
A demonstração pública da “pilha solar” consistiu numa transmissão via rádio de algumas palavras entre D. E. Thomas e Morton Prince usando um sistema portátil alimentado por uma célula solar2. A reacção da imprensa foi entusiástica. Nas páginas do New York Times podia ler-se que aquela primeira célula solar “marca o princípio de uma nova era, levando, eventualmente, à realização de um dos mais belos sonhos da humanidade: a colheita de energia solar sem limites, para o bem-estar da civilização”.
A primeira aplicação das células solares de Chapin, Fuller e Pearson (Fig. 3) foi realizada em Americus, no estado da Georgia, para alimentar uma rede telefónica local. O painel, com nove células com 30 mm de diâmetro, foi montado em Outubro de 1955 e removido em Março de 1956. Os resultados foram promissores, embora o painel tivesse ficado rapidamente coberto por uma massa opaca de fezes ornitológicas!.
No entanto, rapidamente se compreendeu que o custo das células solares era demasiado elevado, pelo que a sua utilização só podia ser economicamente competitiva em aplicações muito especiais, como, por exemplo, para produzir electricidade no espaço. Recordemos que o primeiro satélite, o Sputnik, lançado em 1957, acabara de inaugurar oficialmente a corrida ao espaço entre os Estados Unidos e a União Soviética.
