Efectul fotovoltaic: ce este și cum se produce?

Efectul fotovoltaic stă la baza funcționării celulelor solare și a dispozitivelor fotovoltaice. Pentru oricine împărtășește fascinația pentru energia solară și de aplicațiile sale potențiale, înțelegerea acestui concept este esențială. În acest articol, vom explora ce este efectul fotovoltaic, care sunt caracteristicile sale și cum se produce. 

Ce este efectul fotovoltaic? 

Efectul fotovoltaic este un fenomen care a schimbat radical modul în care vedem producția de energie. Acest proces implică transformarea energiei solare în energie electrică cu ajutorul unor dispozitive semiconductoare numite celule fotovoltaice. Compuse în principal din siliciu, aceste celule sunt inima sistemelor de energie solară. 

Celulele fotovoltaice funcționează prin generarea de electricitate dintr-un curent continuu, folosind radiația solară ca sursă. Aceste dispozitive unice pot genera constant energie, însă pentru a o folosi în gospodărie este necesară transformarea ei în energie alternativă. Acest lucru se realizează cu ajutorul unui invertor de putere. 

Esența producției energiei electrice prin efect fotovoltaic constă în conversia energiei radiațiilor solare, care vine sub formă de căldură, în energie electrică. Pentru ca acest proces să poată avea loc, celulele fotovoltaice trebuie plasate în serie de-a lungul panourilor solare. Astfel, se obține o tensiune adecvată care să permită generarea energiei electrice. 

Nu toată radiația solară care provine din atmosferă este transformată în energie electrică. O parte din aceasta se pierde prin reflecție și alta prin transmisie. Cantitatea de radiație care este capabilă să intre în contact cu celulele fotovoltaice este esențială pentru funcționarea acestora. Aceasta face electronii să sară de la un strat la altul, creând astfel un curent electric. [2, 3]

Caracteristicile efectului fotovoltaic

Caracteristicile efectului fotovoltaic sunt influențate într-o mare măsură de participarea materialelor conductoare. Panourile solare, cele mai comune dispozitive care folosesc acest efect, sunt compuse din numeroase materiale conductoare, una dintre cele mai importante fiind siliciul, așa cum am menționat și în rândurile de mai sus.

Peste 90% din panourile solare sunt fabricate din siliciu, datorită comportamentului său unic în reacția la acțiunea electricității. Siliciul are un rol important în generarea curentului electric, deoarece are capacitatea de a elibera electroni sub influența luminii. [1] 

Radiația solară joacă un rol cheie în eliberarea electronilor, un proces vital în efectul fotovoltaic. În cazul panourilor solare, radiația solară este sursa care eliberează electronii și îi face să treacă într-o stare mai energică. Cu alte cuvinte, fotonii din lumina soarelui dau energie electronilor pentru a se mișca și a produce electricitate.

Producerea efectului fotovoltaic începe atunci când un foton ciocnește un electron de pe ultima orbită a unui atom de siliciu. Este o reacție fotoelectrică în care electronii absorb energia fotonilor. Dacă electronul primește suficientă energie din foton, poate ieși din orbita atomului. Aceasta este baza efectului fotovoltaic.

Mișcarea electronilor și generarea curentului de încărcare sunt alte caracteristici esențiale ale efectului fotovoltaic. Odată ce electronii sunt liberi, pot călători prin tot materialul semiconductor. Siliciul direcționează toată energia acolo unde poate fi utilă. În acest proces, electronii care au fost eliberați din atomi se îndreaptă către alți atomi unde există spații libere, creând astfel un curent de încărcare. [2, 3]

Mecanismul de producere a efectului fotovoltaic

Mecanismul de producere a efectului fotovoltaic presupune mai multe etape, care încep cu generarea unui flux de electroni într-un material semiconductor, precum siliciul, prin aplicarea unei surse de energie - în acest caz, radiația solară. Acest proces se bazează pe utilizarea unei surse constante de energie care produce un câmp electric cu o polaritate constantă. Acest câmp electric împinge electronii în toate direcțiile, generând astfel un curent electric. 

În urma ciocnirii dintre un foton și un electron de pe ultima orbită a unui atom de siliciu, are loc efectul fotovoltaic. Dacă energia transmisă de foton electronului este mai mare decât forța de atracție a nucleului atomului de siliciu, electronul va fi eliberat. Acest proces necesită o forță de impact de cel puțin 1,2 eV.

În ceea ce privește tipurile de materiale semiconductoare și energia necesară pentru eliberarea electronilor, fiecare material semiconductor are o anumită energie minimă necesară pentru a elibera electronii din atomii săi. Aceasta poate varia în funcție de lungimea de undă a fotonilor care lovesc materialul. Astfel, fotoni cu o lungime de undă mai mică provin din radiații ultraviolete și au o cantitate mare de energie, în timp ce aceia care au o lungime de undă mai mare au mai puțină energie și se află în partea infraroșie a spectrului electromagnetic. 

Descoperă și: energia verde: cum o poți produce și ce avantaje are

Energia minimă necesară pentru fiecare material semiconductor pentru a elibera electroni este determinată de banda de frecvență. Aceasta este o zonă de frecvențe în care materialul poate elibera electroni în urma contactului cu radiațiile ultraviolete sau vizibile. În cazul în care lungimea de undă a radiației este mai mică decât cea corespunzătoare acestei benzi, materialul nu va putea elibera electroni, astfel încât nu va exista curent electric. [2, 3] 

Mecanismul de producere a efectului fotovoltaic este un proces complex care implică o serie de etape, de la generarea unui flux de electroni într-un material semiconductor până la eliberarea acestora sub influența unei surse de energie.

Surse

[1] Chandler, David L. “For Cheaper Solar Cells, Thinner Really Is Better.” MIT News | Massachusetts Institute of Technology, Jan. 2020, news.mit.edu/2020/cheaper-solar-cells-thinner-0127#:~:text=Currently%2C%2090%20percent%20of%20the,than%20most%20analysts%20had%20expected. Accessed 12 Jan. 2024.
[2] “Photovoltaic Effect - Energy Education.” Energyeducation.ca, 2015, energyeducation.ca/encyclopedia/Photovoltaic_effect. Accessed 12 Jan. 2024.
[3] “The Photovoltaic Effect | PVEducation.” Pveducation.org, 2024, www.pveducation.org/pvcdrom/solar-cell-operation/the-photovoltaic-effect. Accessed 12 Jan. 2024.