Células Fotovoltaícas
Células Fotovoltaícas – Assuntos a
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Mecânica Quântica – Efeito Fotovoltaíco
Diodo Fotovoltaíco.
Células de Silício Cristalino, Amorfo,
Policristalino.
Células orgânicas
O Módulo Fotovoltaíco.
Bibliografia
Efeito Fotoelétrico
• Existem evidências experimentais de que a radiação se
comporta como partícula ao interagir com a matéria,
diferente de seu comportamento ondulatório quando se
propaga.
• Em 1886/1887 Heinrich Hertz descobriu que uma descarga
elétrica entre dois eletrodos ocorre mais facilmente quando
se faz incidir uma luz ultravioleta sobre eles.
• Mais tarde Lenard mostrou que elétrons eram emitidos do
catodo ao se incidir luz ultravioleta (efeito fotoelétrico).
Entre 1886 e1887 Heinrich Rudolf Hertz realizou experiências
que confirmaram a existência de ondas Eletromagnéticas e a
Teoria de Maxwell sobre a propagação da Luz.
Porém observou que :
“Uma descarga elétrica entre dois eletrodos ocorria
mais facilmente se fizéssemos incidir uma luz
ultravioleta sobre um deles”.
Entretanto Hertz não conseguia entender tal fenômeno
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Philipp Eduard Anton von Lénárd mostrou que elétrons eram
emitidos do catodo ao se incidir luz ultravioleta.
A emissão de elétrons devido a incidência de luz é chamado
de:
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 Uma luz monocromática incide
sobre o catodo e libera fotoelétrons;
Quartzo
 Devido a uma DDP entre o catodo
e o anodo, estes fotoelétrons são
atraídos para o anodo gerando uma
corrente elétrica
i
A
ia
Amperímetro
Chave inversora
KMax  V0e (elétron mais rápido)
V0
-
+
V
Potencial de corte
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Até aqui nada contradiz a teoria ondulatória.
Entretanto se tomarmos uma luz incidente
com intensidade menor, o potencial de
corte continua o mesmo.
i
ia
Bem, sabemos da teoria ondulatória
que a amplitude do campo elétrico da
onda luminosa incidente diminui se a
intensidade diminuir. Como a força
aplicada ao elétron é dado por:
ib
V0
-
+
V
dU
F 
 eE  W  K   Fdr
dr
O que sugere que a energia cinética deveria diminuir se a intensidade diminui.
Entretanto Kmáx é o mesmo, independente da intensidade.
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Numa outra experiência, mediu-se o potencial de corte em relação a freqüência da luz
incidente.
De acordo com a teoria ondulatória
clássica o efeito fotoelétrico deveria
acontecer para qualquer freqüência de
luz. No entanto, para freqüências
abaixo de 0 o efeito não ocorre.
V0
0
v0
v (1014 /s)
Outra discordância é que se a
intensidade da luz é fraca, pela teoria
clássica deveria haver um
retardamento temporal até que o
átomo recebesse energia suficiente
para ejetar o elétron. No entanto, isto
não acontece.
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2) O Efeito Fotoelétrico
E  hf 
hc

(Energia do fóton)
Kmax   12 mv 2 
max
 hf  
Em 1905, Einstein propôs que a energia radiante
está concentrada em pacotes (fótons). Esta
concentração em pacotes leva a quantização da
energia.
Supôs que toda onda eletromagnética é quantizada em
energia, isto é, se tem uma freqüência de vibração v, ela só
pode ser gerada com valores discretos de energia.
E  nh
Energia de Planck
Quanto maior o número de fótons em uma onda eletromagnética torna-se mais difícil
perceber a natureza discreta da luz, o comportamento é clássico
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Teoria de Einstein – Efeito Fotoelétrico
• Em 1905, Einstein propôs que a energia radiante está
concentrada em pacotes concentrados, mais tarde
chamados de fótons.
• Einstein supôs que tal pacote de energia se afasta da
fonte com velocidade c. Ele supôs que a energia do
pacote ou fóton está relacionada com a frequência 
pela relação:
E  h
Um fóton tem energia dada por:
E  h
ou
Onde 
E w
w  2 v
Esta representação possibilita descrever todo espectro eletromagnético em unidade
de energia, como eV
Hz  eV  4.1357 x1015
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Voltemos então aos problemas apresentados pelo efeito fotoelétrico
Quando um elétron é emitido na superfície do catodo, sua energia cinética é dado por:
K  h  w
Onde w é a energia necessária para arrancar o elétron do metal, isto é, para superar
os campos atrativos dos átomos e as perdas de energia devido a colisões internas.
A energia cinética máxima será quando tivermos o menor trabalho possível, isto é, quando
o trabalho for somente para vencer os campos atrativos atômicos.
Kmáx  h  w0
função trabalho
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Kmáx não depende da intensidade da luz, pois a energia do fóton só depende de .
Para Kmáx= 0
h 0  w0
V0
freqüência de corte
0
v0
v (1014 /s)
v0 – Energia do fóton para arrancar o elétron sem nenhuma energia cinética.
Para  <c não existe efeito fotoelétrico.
No efeito fotoelétrico um fóton é completamente absorvido por um elétron do fotocatodo.
Este fato retira a objeção da teoria clássica sobre o “retardamento temporal”.
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O Potencial de corte pode ser expresso por:
Kmáx  eV0  h  w0
Como w0 = hv0
eV0  hv  hv0
h
V0   v  v0 
e
Tem um comportamento linear com a freqüência
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Composição da Luz
Composição da Luz - Cor
Composição da Luz -Espectro
Composição da Luz - Espectro
Absorção da Luz pela Matéria
Ressonância é o fenômeno físico em que se registra a transferência de energia de
um sistema oscilante para outro, quando a freqüência do primeiro coincide com
uma das freqüências próprias do segundo.
Que luz interage com o que no seu
corpo?
Que Luz Interage com o que?
QUANTIDADE DE ENERGIA SOLAR
DISPONÍVEL
Estabilização contra fotodegradação do
co-polímero EVA por adição de nanopartículas de
α-Al2O3/quartzo irradiado com raios gama para uso
fotovoltaico
Igor Alessandro Silva Carvalho
Orientador: José Roberto Tavares Branco
Co-orientador: Eduardo Perini Muniz
UFOP - C E T E C - UE M G
defesa de tese
Fonte:www.imotion.com.br
1 Encapsulamento e fotodegradação de módulo fotovoltaico
(EVA)
Quebra de ligação OCOCH3
Quebra de ligação O-CH3
FIGURA 1: Painel fotovoltaico
A Barreira de Potencial na Junção p-n
Ao campo corresponde um potencial. E à energia também.
A energia de um elétron em um
campo elétrico é:
E  e
Portanto:
Ecp  Ecn  e(p  n )  eV0
Um modelo concentrado que representa toda a curva corrente-tensão de uma célula
fotovoltaica, e não apenas a região próxima ao ponto de potência máxima é o modelo
de um diodo e quatro parâmetros. O circuito equivalente deste modelo é mostrado
na figura 1.
IL é a corrente de fótons e, com ótima aproximação, varia em proporção direta com a
intensidade de radiação solar incidente. Também varia linearmente com a temperatura da
célula e depende do material e do processo de fabricação. ID representa a característica de
corrente de diodo das células fotovoltaicas. RS é a resistência série da célula. Esta resistência
encontra-se, na realidade, distribuída na superfície e contatos metálicos da célula. V e I são a
tensão nos terminais da célula e a corrente de saída da mesma. RL representa a carga
conectada à célula.
Bibliografia
http://www.nmsea.org/Curriculum/7_12/PV/explore_pv.htm
FREIRE, Cristiano Augusto da Silva and CARVALHO, Paulo César Marques de. Comparação
de dois modelos de células fotovoltaicas usando dados reais: modelo de dois diodos
versus modelo de um diodo e quatro parâmetros.. In: ENCONTRO DE ENERGIA NO MEIO
RURAL, 3., 2000, Campinas. Proceedings online... Available from:
<http://www.proceedings.scielo.br/scielo.php?script=sci_arttext&pid=MSC0000000022
000000100046&lng=en&nrm=abn>. Acess on: 13 June. 2013.