Conheça mais sobre a junção pn das células fotovoltaicas

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Complementando o post da semana passada, que falava sobre semicondutores, hoje você vai ver a junção pn, que é essencial para o aproveitamento da corrente e da tensão, já que é nela que há a presença de um campo elétrico que separa os portadores de carga.

A junção é formada após a dopagem do semicondutor, que consiste na adição de forma controlada, de impurezas (dopantes) nele. Elas mudam drasticamente as propriedades elétricas do material intrínseco, isto é, do material sem dopagem.

Uma célula fotovoltaica monojunção de silício cristalino, que é um material bastante comum na fabricação das células e é tetravalente, possui quatro elétrons na banda de valência e fazem ligações covalentes com os átomos vizinhos, resultando em uma rede cristalina com oito elétrons compartilhados por cada átomo.

Ao introduzirmos um átomo trivalente na estrutura, como o boro (B), haverá falta de um elétron para completar as ligações com os átomos de silício da rede cristalina. Essa falta de um elétron é denominada de lacuna. Assim é formado o semicondutor do tipo p, que possui excesso de lacunas e é a região receptora de elétrons. Essas lacunas se movem por difusão ou deriva.

Caso o átomo introduzido seja pentavalente, como o fósforo (P), haverá um elétron excedente ligado fracamente ao seu átomo de origem na rede cristalina, que forma o semicondutor do tipo n, que é uma região doadora de elétrons. Os elétrons podem se movimentar ao redor do cristal.

Devido a diferença de concentração de elétrons e lacunas entre as duas regiões, os elétrons migram do semicondutor tipo n para o semicondutor tipo p na região de interface. A junção é formada se, numa metade de uma lâmina de Si inicialmente puro, forem introduzidos átomos de B e na outra metade átomos de P (Pinho e Galdino, 2014). A Figura 1 traz um diagrama esquemático da junção pn.

A migração cessa quando o campo elétrico formado na junção pn interrompe o processo. Este campo elétrico é responsável por fazer a separação dos pares elétron-lacuna quando a energia dos fótons é absorvida pelos elétrons no momento em que a célula fotovoltaica é iluminada.

Figura 1 - Diagrama esquemático da junção pn (Adaptado de Kalogirou, 2014)

PINHO, J. T.; GALDINO, M. A. (2014). Manual de engenharia para sistemas fotovoltaicos. Rio de Janeiro: CEPEL – CRESESB.

 

KALOGIROU, S. A, 2014. Solar Energy Engineering Processes and Systems.

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