artigo

26 Física na Escola, v. 9, n. 1, 2008Usando um LED como fonte de energia

○ ○ ○ ○ ○ ○ ○ ○ ○ ○ ○ ○ ○ ○ ○ ○ ○ ○ ○ ○

○ ○ ○ ○ ○ ○ ○ ○ ○ ○ ○ ○ ○ ○ ○ ○ ○ ○ ○ ○

OSol é fonte de energia fundamen-tal para o nosso planeta. A cadasegundo, trilhões e trilhões de

átomos de hidrogênio (H) se fundemformando átomos de hélio (He). Nestasreações há uma diminuição da massa dosreagentes e uma grande liberação de ener-gia, que é irradiada na forma de luz e calorpara todo o espaço em seu entorno. Partedesta energia chega ao nosso planeta, con-tribuindo de forma vital para a manu-tenção da vida.

Com a crescente preocupação emfrear a degradação do planeta e o cons-tante aumento pela demanda de energia,o Sol vem ocupando lugar de destaque co-mo uma grande eimportante fonte deenergia alternativa.Há alguns anos os ar-quitetos passaram ase preocupar comconstruções que pri-vilegiam a ilumina-ção natural; algumasresidências utilizam aenergia solar para o aquecimento da água,por meio de coletores solares; em umaescala ainda muito pequena a energia so-lar também é transformada em energiaelétrica - as células fotovoltaicas são osdispositivos responsáveis por esta trans-formação direta da energia solar em elétri-ca. Estas células são feitas com materiaissemicondutores e seu alto custo é um fa-tor limitante para uso em larga escala.Muitas pesquisas têm sido feitas no senti-do de tornar estas células mais eficientes,de modo a reduzir o custo da energia con-vertida por célula.

Neste artigo vamos enfocar o funcio-namento de uma célula fotovoltaica. Paraque o professor tenha condições demostrar, na prática, a transformação daenergia solar em elétrica, sugerimos umamaneira de ligar um relógio digital pormeio de uma “célula fotovoltaica de baixo

custo”: um LED.1

Materiais semicondutores

Os materiais semicondutores são abase da indústria eletrônica. Sua impor-tância está na possibilidade de alteraçãode suas características elétricas de forma“simples”. Estes materiais recebem o nomede semicondutores por não serem total-mente isolantes - como a borracha, ou ovidro - mas também não serem bons con-dutores como o cobre, ou o ferro. No en-tanto, se forem adicionados átomos dife-rentes a estes materiais, eles podem tersuas características elétricas alteradas. Osilício (Si) é um exemplo de semicondutor

muito utilizado naindústria. Se um áto-mo de fósforo (P) forinserido em um cristalde silício, haverá umelétron a mais na redecristalina. Este elétronpoderá se mover pelomaterial, pois não estáfortemente ligado ao

átomo. O novo material possui elétronsem excesso e é por isso chamado semi-condutor tipo n. O oposto ocorrerá se umátomo de gálio (Ga) for inserido na redecristalina de silício. Um elétron estaráfaltando, e este “buraco” se comportarácomo uma carga positiva,2 que tambémpode mover-se pelo material, pois umelétron de um átomo vizinho pode ocupareste espaço. O semicondutor com falta deelétrons é chamado de semicondutor tipop. A Fig. 1 ilustra este processo de inserçãode átomos estranhos em uma redecristalina, denominado “dopagem” [1].

Uma célula fotovoltaica é uma junçãodos dois tipos de materiais semicondutoresdescritos acima. Uma junção pn, como adenominamos, possui propriedades muitopeculiares e é de grande interesse na indús-tria eletrônica, tendo várias aplicações [2].Nas Figs. 2 e 3 há um esquema do que

Esdras Garcia AlvesColégio Santo Agostinho, Belo Horizonte,MG, BrasilE-mail: egafisica@yahoo.com.br

Andreza Fortini da SilvaEscola Municipal Francisco Borges daFonseca, Belo Horizonte, MG, Brasil

Com a crescente demanda de energia elétrica ea atual preocupação com a preservação am-biental, as energias limpas se transformaramem necessidades urgentes. A energia solar é umaexcelente alternativa. As células fotovoltaicas- dispositivos construídos com materiais semi-condutores - podem transformar a energia so-lar diretamente em energia elétrica.

As células fotovoltaicas são osdispositivos responsáveis pela

transformação da energia solarem elétrica. Estas células são

feitas com materiaissemicondutores e seu alto custoainda é um fator limitante para

uso em larga escala

27Física na Escola, v. 9, n. 1, 2008 Usando um LED como fonte de energia

ocorre em uma junção pn quando ela éiluminada [3].

A luz é constituída por fótons comenergia E = hν, onde h é a constante dePlanck e ν é a freqüência da luz. Quandoestes fótons incidem sobre a junção, elespenetram no material e podem ser absor-vidos por elétrons na banda de valência.3

Se a energia do fóton for da mesma ordemde grandeza que a diferença de energia dasbandas, Eg na Fig. 2, o elétron poderá al-cançar a banda de condução, onde estarálivre para se mover. A saída de um elétronda banda de valência deixa um buraco namesma. Com a iluminação constante, ha-verá um grande número de pares elétron-buraco gerados pela absorção de fótons.Devido à presença dos átomos dopantes,os elétrons da banda de condução se deslo-carão para a região n e os buracos da banda

de valência se deslocarão para a região p.Se um fio condutor conectar o lado p aolado n, teremos uma corrente de elétronsse movendo da região de maior concentra-ção de elétrons para a região com escassezde elétrons, como em uma pilha.

O LED como célula solar

As células fotovoltaicas convencionaisainda são muito caras e raras no mercadocomum. Como modelo de célula fotovol-taica propomos o uso de um LED, muitomais acessível em termos de custo emercado. Testamos vários tipos de LEDs,e os melhores resultados foram encontra-dos com LEDs vermelhos de 10 mm comencapsulamento transparente. Os LEDsvermelhos de 5 mm com encapsulamentotransparente também apresentaram bonsresultados.

O LED também é constituído por umajunção pn [4]. Na Fig. 4 há um diagramailustrando o dispositivo. O lado n da jun-ção está preso a um contato metálico, queserve também como um espelho refletorpara direcionar a luz. No lado p há apenasum fio estabelecendo o contato elétrico en-tre o semicondutor e o outro terminal doLED, de modo que a maior parte do semi-condutor fica exposta. Esta construção énecessária porque a luz sai diretamentede onde houve uma combinação entre umelétron e um buraco. Um elétron quevenha da banda de condução para ocuparum buraco na banda de valência deveperder energia. Esta energia é liberada naforma de fótons, cuja energia correspon-de ao valor de Eg. Portanto, se foremconstruídos LEDs com diferentes valorespara Eg - e isto é conseguido utilizandodiferentes dopantes - pode-se produzirdiversas cores para a luz dos LEDs. Comoo valor de Eg define a energia dos fótonsemitidos, o espectro de emissão de um LEDpossui um pico bastante pronunciado emtorno de um comprimento de onda carac-terístico, como mostra a Fig. 5.

Embora os LEDs sejam projetadospara emitir fótons, eles também podemfuncionar como receptores de luz. Em di-versos artigos na literatura encontramoso uso de LEDs como fotosensores [5-7].Porém, assim como a emissão é bastantepronunciada em torno de uma freqüênciacaracterística, a recepção se dá para umafaixa de freqüências cuja energia esteja emtorno de Eg. Este comportamento resso-nante dos LEDs permite que eles sejamutilizados como sensores para faixas

Figura 1. (a) Representação bidimensional de um cristal de silício. (b) Quando um átomode fósforo é adicionado à rede ele disponibiliza um elétron, que fica livre para se moverpelo cristal. (c) Se for adicionado um átomo de gálio, haverá a falta de um elétron(buraco). Como um elétron de um átomo vizinho pode ocupar este buraco, o efeito finalé o de uma carga positiva se movendo pelo cristal.

Figura 2. Fótons com energia E = hν atingem a junção. Se a energia dos fótons for daordem de grandeza de Eg, um elétron da banda de valência (BV) pode absorver a energiado fóton.

Figura 3. Absorvendo a energia do fóton, o elétron alcança a banda de condução (BC).Os elétrons na banda de condução tendem a se concentrar no lado n e os buracos nabanda de valência no lado p, devido à presença dos átomos dopantes.

Figura 4. Detalhes internos da estruturado LED.

28 Física na Escola, v. 9, n. 1, 2008Usando um LED como fonte de energia

restritas do espectro. Fótons com energiasmuito diferentes de Eg não são efetiva-mente absorvidos pelos elétrons e nãohaverá a geração de pares elétron-buraconestas situações. Um LED que emita luzverde, por exemplo, será um bom recep-tor para luz verde,mas não para outrascores do espectro. Épor este motivo quesugerimos utilizarcomo fontes de luz,nos experimentos aseguir, o Sol ou umalâmpada incandes-cente, pois estas fon-tes possuem um es-pectro contínuo deradiação, possuindotodas as freqüênciasda luz.

Para verificar a produção de tensão elé-trica em um LED iluminado, basta ligar osseus terminais a um voltímetro para medirtensões contínuas na escala de 2 V e ilu-minar o LED com uma fonte de luz intensa.A tensão pode chegar a 1,5 V se o LED forexposto ao Sol. Embora a tensão sejarelativamente alta, a corrente alcançada nãopassa de poucos microamperes, mesmo sobiluminação intensa. Tal fato pode sercompreendido observando o tamanho dosemicondutor do LED, que não passa de1 mm2. Uma célula fotovoltaica convencio-nal possui uma grande área de materialsemicondutor exposta à luz, de forma apoder absorver uma grande quantidade defótons, ou seja, muita energia. Portanto énecessária uma carga compatível parafuncionar com uma corrente tão baixa; umrelógio digital é ideal para esta aplicação.

O relógio digital usado por nós é dotipo encontrado em lojas de produtos po-pulares. É necessário retirar a bateria e sol-

Referências

[1] Eduardo de Campos Valadares, Alaor S.Chaves e Esdras Garcia Alves,Aplicações da Física Quântica: Do Tran-sistor à Nanotecnologia (Livraria daFísica, São Paulo, 2005), 1ª ed.

[2] Robert Boylestad e Louis Nashelsky,Dispositivos Eletrônicos e Teoria deCircuitos (Prentice-Hall do Brasil, Riode Janeiro, 1994), 5ª ed.

[3] Reginaldo da Silva, Adenilson J.Chiquito, Marcelo G. de Souza eRodrigo P. Macedo, Revista Brasileirade Ensino de Física 2626262626, 379 (2004).

[4] Marisa Almeida Cavalcante, CristianeR.C. Tavolaro, Dione Fagundes deSouza e João Muzinatti, Física naEscola 33333:1, 24 (2002).

[5] L. Nieves, G. Spavieri, B. Fernades e R.A.Guevara, The Physics Teacher 3535353535, 108(1997).

[6] Marisa Almeida Cavalcante, CristianeR.C. Tavolaro e Rafael Haag, Fisica naEscola 66666:1, 75 (2005).

[7] Marisa Almeida Cavalcante e RafaelHaag, Revista Brasileira de Ensino deFísica 2727272727, 343 (2005).

dar dois fios nos terminais da mesma (su-gerimos desmontar o relógio e soldar osfios diretamente na placa). Ligue os termi-nais do LED aos fios do relógio e ilumine oLED com uma luz bastante intensa, de pre-ferência o Sol, e veja se o relógio funciona.

Se não funcionar, in-verta os fios, pois tantoo LED quanto o relógiopossuem polaridade. Épossível fazer o relógiofuncionar com umalâmpada incandescente- indicada para as de-monstrações em diasnublados - mas nestecaso devem ser usadosno mínimo três LEDsligados em série. Estaé uma estratégia paraalcançar maior tensão,

se o professor desejar aplicá-lo em outrassituações. Em nossa versão, mostrada naFig. 6, colocamos os LEDs em um disco demadeira e o fixamos em uma bola dedesodorante roll-on. Utilizando este arti-fício é possível orientar os LEDs para a posi-ção de máxima incidência de luz.

Conclusão

Muitos livros falam sobre o uso dascélulas fotovoltaicas, mas não fornecemdetalhes sobre seu funcionamento e nemsugestões alternativas que o professor

possa utilizar para ilustrá-la na prática.Tendo estes aspectos em vista, procuramosabordar de forma sucinta o funciona-mento das células fotovoltaicas a fim defornecer uma base teórica para a compre-ensão da transformação direta da energiasolar em elétrica. Enquanto educadores,acreditamos que promover o contato dejovens estudantes com tecnologias poten-cialmente transformadoras é uma formade sensibilizá-los quanto à necessidade deuma busca de soluções concientes para asociedade.

O uso deste material não se restringeapenas a estudantes da educação básica,onde o professor pode usá-lo em seqüên-cias sobre transformações de energia. Emdiversas oficinas que realizamos com pro-fessores e estudantes de graduação, hásempre um grande espanto quando vêemum relógio funcionando com a energia“gerada” por um LED. A física de semi-condutores pode ficar mais atrativa comestes experimentos que surpreendem nos-so senso comum.

Notas1Diodo emissor de luz, em inglês. Os

LEDs são aquelas lampadazinhas facil-mente encontradas nos painéis de equipa-mentos eletroeletrônicos.

2O buraco não é fundamentalmenteuma carga positiva, mas sim, como o pró-prio nome sugere, a ausência de um elé-tron.

3A banda de valência é a última bandade energia com elétrons ligados aos áto-mos em um sólido.

Figura 6. LEDs funcionando como célulafotovoltaica.

Muitos livros falam sobre o usodas células fotovoltaicas, masnão fornecem detalhes sobre

seu funcionamento e nemsugestões alternativas que oprofessor possa utilizar parailustrá-la na prática. Assim,

abordamos de forma sucinta ofuncionamento dessas células,fornecendo uma base teórica

para a compreensão datransformação direta daenergia solar em elétrica

Fig. 5. Espectro de emissão de um LED azul.