A sociedade atual está se desenvolvendo rapidamente, mas as fontes de energia tradicionais (como carvão e petróleo), representadas pelos combustíveis fósseis, estão se tornando cada vez mais difíceis de atender à crescente demanda de energia devido a longos ciclos de regeneração, reservas e qualidade decrescentes, etc. O desenvolvimento e uso de novas fontes de energia está, portanto, na agenda.
Inspiração da fotossíntese das plantas: o uso da eletricidade solar
Todos nós sabemos que basicamente toda a energia disponível para todos os seres vivos na Terra vem da fotossíntese nas plantas.
Fig. 1 Diagrama esquemático da fotossíntese
A fotossíntese em plantas é o processo biológico de sintetizar açúcar a partir de dióxido de carbono e água em cloroplastos vegetais sob condições de luz. energi solar é armazenada desta forma à medida que a energia é produzida durante o metabolismo das substâncias açucaradas.
No entanto, esta energia é difícil de usar directamente e geralmente precisa de ser transformada antes de se tornar a energia eléctrica que normalmente utilizamos. Os princípios da física nos dizem que o processo de conversão de energia inevitavelmente resulta em perda de energia. O tema da conversão da energia solar diretamente em eletricidade está, portanto, na agenda.
Então, a energia sol pode ser convertida diretamente em eletricidade? E que factores estão envolvidos neste processo de conversão? Esta foi uma proposta fascinante para os cientistas no início do século XIX.
Felizmente, um grande avanço neste enigma foi feito no final do século XIX.
O homem com o "cérebro mais forte" descobre os mistérios da luz e da electricidade.
Em 1887, o célebre físico Hertz (que dá nome à unidade de frequência hoje em dia) descobriu por acaso que o brilho da luz na superfície de certas substâncias provocava uma alteração das propriedades eléctricas da substância. Pesquisas posteriores provaram que isso se deveu à geração de um fluxo de elétrons, daí o nome "efeito fotoelétrico". a célula fotovoltaica é uma aplicação prática do efeito fotoelétrico.
Fig. 2 Diagrama esquemático do efeito fotoelétrico
É importante entender que na época, os princípios da física clássica estabelecidos por Isaac Newton governavam as mentes das pessoas. Este princípio considerava a luz como uma onda transmitida num meio como o Éter (uma substância concebida pelo antigo filósofo grego Aristóteles e emprestada pelos físicos no século XIX para se referir ao meio pelo qual a luz viaja) (imagine uma pedra atirada num lago, cuja superfície se ondula para fora num círculo utilizando a água como meio), e a energia da onda está relacionada com a amplitude (a amplitude da onda de luz é a intensidade da luz).
Fig. 3 Ondulações causadas por pedras a serem atiradas ao lago
Isto parece ser uma coisa de muito bom senso. Como você pode imaginar, no inverno o sol não é tão forte que se sinta quente em seu corpo, enquanto no verão o sol é tão forte que você pode ficar queimado se você não proteger sua pele. Assim, sob a física clássica, a ocorrência do efeito fotoelétrico depende da intensidade da luz; entretanto, esta teoria contradiz uma série de resultados experimentais da época.
A física clássica está em crise após pesquisas terem mostrado que algumas cores de luz da mesma substância são incapazes de produzir um efeito fotoelétrico independentemente da intensidade da luz, enquanto outras podem produzir uma corrente elétrica mesmo com intensidades muito baixas: uma tempestade está se formando e vai varrer toda a comunidade científica.
A tempestade gerou a destruição, mas com ela veio uma nova vida. E foi Albert Einstein, como o conhecemos, quem resolveu o enigma do efeito fotoelétrico.
Einstein é amplamente conhecido por estabelecer a teoria da relatividade, mas as pessoas podem não saber que um cientista tão grande perdeu por pouco o Prêmio Nobel, que é conhecido como a maior honra da ciência (os Prêmios Nobel nunca são concedidos por descobertas controversas, e o debate e a controvérsia sobre a teoria da relatividade ainda está acontecendo hoje em dia).
Einstein recebeu o Prêmio Nobel de Física de 1921 por sua explicação criativa sobre o efeito fotoelétrico. Ele propôs que a luz é composta de fótons, que são por natureza pacotes de energia, e que a energia contida em cada pacote está relacionada à sua freqüência (o número de mudanças por unidade de tempo (1s)), de modo que se a luz que atinge um objeto produz elétrons depende inteiramente da energia (freqüência) do pacote (fóton), independente do número de pacotes (intensidade da luz).
A bateria solar é como uma "sanduíche".
Descrevemos como o efeito fotoelétrico foi descoberto e como ele pode ser produzido, mas como os elétrons resultantes podem ser usados por nós?
Isto leva-nos a outro conceito - o salto de energia.
Figura 4 Diagrama esquemático do salto de nível energético (Qingdao Institute of Bioenergy and Processes, Carbon Based Energy Conversion Materials Research Group)
O átomo consiste de um núcleo e elétrons fora do núcleo. Os elétrons fora do núcleo não estão dispersos, mas dispostos em camadas de acordo com os princípios da física, com os elétrons perto do núcleo tendo uma energia baixa e os elétrons mais distantes do núcleo tendo uma energia mais alta.
Em condições normais, os elétrons fora do núcleo tendem sempre a ser dispostos com a menor energia total, de modo que se diz que o elétron está no "estado de terra". Quando um átomo no estado do solo recebe alguma forma de energia (por exemplo, um fotão), ele se move espontaneamente para um nível de energia superior, o que é chamado de salto de energia.
Infelizmente, porém, o elétron em estado excitado é instável e tende a saltar para níveis de energia mais baixos, e o excesso de energia do elétron é dissipado sob a forma de luz ou energia térmica.
Não, a energia apenas irradia e nós ainda não temos electricidade, pois não?
Não se preocupe, para conduzir a corrente gerada pelo efeito fotovoltaico, precisamos de construir a estrutura do dispositivo certo, que é muitas vezes referido como uma célula solar (como mostrado no diagrama).
A estrutura do dispositivo é semelhante à de um sanduíche, com a camada activa com o efeito fotoeléctrico a ser ensanduichada entre a camada de transporte de electrões e o furo (a parte parcialmente deficiente em electrões formada após o salto de electrões é chamada de furo) camada de transporte, com os materiais do eléctrodo, normalmente metal e óxido de estanho índio (ITO), em ambas as extremidades.
Quando um átomo no estado de terra recebe alguma forma de energia (por exemplo, um fotão), ele se transfere espontaneamente para um nível de energia superior, o que é chamado de salto de energia. Como o estado excitado da camada de transporte de electrões está a um nível de energia ligeiramente inferior ao da camada activa, os electrões do estado excitado da camada activa tendem a passar para a camada de transporte de electrões em vez de voltarem para o estado de terra da camada activa; enquanto que o estado de terra da camada de transporte do buraco está a um nível de energia ligeiramente superior ao da camada activa e os electrões tendem a passar para o estado de terra da camada activa.
É como se pequenos passos fossem preparados para que os elétrons "levantem os pés" e passem por cima, em vez de darem saltos difíceis (saltos), para que todo o processo seja fácil de conseguir.
Através da coordenação eficaz da camada de transporte de elétrons e da camada de transporte de furos, todo o dispositivo forma um circuito completo e os elétrons gerados pela camada ativa podem ser exportados para o nosso uso.
Bem, depois da transformação, temos finalmente electricidade directa da energia solar e isto é como funciona una celda solar fotovoltaica. A exploração científica nunca pára e devido às grandes pesquisas e descobertas destes grandes cientistas, a vida das pessoas está cada vez melhor, por isso vamos prestar-lhes tributo!
