Células fotovoltaicas e solares

A tecnologia solar fotovoltaica converte luz em eletricidade no nível atômico. O efeito fotoelétrico faz com que certos materiais semicondutores absorvam partículas de luz solar ou fótons e liberem elétrons. Uma célula fotovoltaica produz eletricidade a partir da luz visível; uma célula solar absorve todo espectro de frequências de luz solar, não apenas a luz visível, e converte a radiação solar em energia útil. Como uma fonte segura, sustentável e eficiente de energia, os sistemas de células fotovoltaicas e solares são usados para geração de energia em rede ou isolada em muitos tipos de dispositivos, desde veículos elétricos (VEs) e telhados solares até sistemas de bombeamento de água e dessalinização.  

As células fotovoltaicas utilizam materiais semicondutores em camadas como uma junção P-N para converter energia luminosa na forma de fótons em corrente elétrica na forma de elétrons. A junção P-N é uma interface entre um semicondutor do tipo P (material receptor de elétrons) e um semicondutor do tipo N (material doador de elétrons). Quando o fóton é absorvido pelo semicondutor do tipo N, um elétron é desalojado, gerando um par de elétron livre e buraco sem elétron. O elétron carregado negativamente é atraído pelo material do tipo P, e o orifício carregado positivamente é atraído pelo material do tipo N. Se um circuito completo estiver conectado aos eletrodos, o elétron livre se deslocará através do circuito, criando corrente elétrica e tensão, até que ele se recombine com um buraco sem elétron novamente no material do tipo P.

A eficiência dos sistemas fotovoltaicos varia de acordo com o tipo de tecnologia de célula fotovoltaica e o tipo de material semicondutor utilizados. As primeiras células solares eram compostas de materiais policristalinos inorgânicos e monocristalinos inorgânicos. Houve um progresso notável na tecnologia fotovoltaica devido a avanços importantes em dispositivos eletrônicos e materiais orgânicos.

Uma célula solar orgânica é leve, flexível e pode ser produzida com baixo custo com doadores poliméricos de alto desempenho, receptores de fulereno e não fulereno (NFAs), através de processos em solução em baixa temperatura em um condutor transparente, como óxido de estanho e índio (ITO) ou óxido de estanho dopado com flúor (FTO). Os materiais orgânicos transportadores de buracos (hole-transport materials (HTMs)) permitiram o uso de células solares de perovskita de alto desempenho como um método alternativo e mais eficiente para a coleta de energia solar.

As células solares de perovskita usam tipicamente um material híbrido inorgânico-orgânico como a camada ativa de coleta de luz. As células solares de perovskita se beneficiam de uma alta eficiência de conversão, baixo custo e fabricação simples, tornando-as as tecnologias solares para aplicações comerciais que avançam mais rápido. As perovskitas de haleto de chumbo têm a maior eficiência de conversão e são a tecnologia de células solares que mais cresce.