Como funciona energia solar fotovoltaica? A física simples por trás da placa

Energia solar tem fama de tecnologia complicada que só engenheiro entende, e essa fama tira gente de uma decisão boa. Na verdade o princípio é simples — cabe em quinze minutos de leitura — e usa a mesma física que faz o chip do seu celular funcionar. Saber como funciona não muda o cálculo de payback do seu sistema, mas muda a relação que você tem com a placa no telhado. Equipamento que você entende deixa de ser caixa-preta e passa a fazer parte do raciocínio de gerente.

A tese deste texto: o coração da energia solar fotovoltaica é uma reação física entre luz e silício que acontece milhões de vezes por segundo dentro de cada célula da placa. Tudo o resto — orientação do telhado, inversor, conta de luz que cai — é consequência dessa reação. Vou começar pela reação e ir saindo até a tomada da casa.

O ingrediente principal: silício da areia

Tudo começa num material que está literalmente embaixo dos seus pés quando você vai à praia: silício. A areia do mar é majoritariamente sílica, e a partir dela se extrai o silício de altíssima pureza que vai virar célula fotovoltaica. Esse silício puro é fundido num molde, recebe pequenas quantidades controladas de impurezas (chamadas dopantes — geralmente fósforo de um lado e boro de outro) e é cortado em pastilhas finas, mais ou menos do tamanho de um pão de queijo grande quadrado. Cada pastilha é uma célula.

A "mágica" mora no que essas impurezas fazem. Dopagem com fósforo cria um lado com elétrons sobrando (chamado camada N, de negativo); dopagem com boro cria um lado com vazios de elétrons (camada P, de positivo). Quando você gruda as duas camadas, forma-se uma junção PN — a mesma estrutura que está dentro de qualquer chip eletrônico moderno, do seu celular ao computador. A diferença é que, na placa solar, essa junção é dimensionada pra responder a uma coisa específica: luz.

O fóton bate, o elétron sai

A luz do sol não é só "brilho" no sentido coloquial. Fisicamente, ela é composta de partículas chamadas fótons, cada uma carregando uma quantidade pequena de energia. Quando um fóton bate na superfície da célula de silício, ele transfere essa energia pra um dos elétrons que estão presos na estrutura do material. Energia suficiente, elétron livre — sai do lugar onde estava preso e fica disponível pra circular.

Mas elétron livre solto numa célula não vira corrente sozinho. Ele precisa de direção. É aí que a junção PN entra: ela cria um campo elétrico interno na célula que empurra todos os elétrons livres pra um lado, e todas as "vacâncias" pro outro. O resultado prático: do lado N da célula, sobra elétrons; do lado P, faltam. Diferença de elétrons entre os dois lados é exatamente o que a gente chama de tensão elétrica — a mesma grandeza que diz "127 V" ou "220 V" na sua tomada. E elétrons fluindo de um lado pro outro através de um fio é o que a gente chama de corrente elétrica.

Da célula ao módulo

Cada célula sozinha gera uma tensão pequena — algo como 0,5 volt. Não dá pra alimentar nada com isso. Por isso o módulo fotovoltaico (o que você chama de "placa" no telhado) é uma associação em série de várias células — tipicamente 60 ou 72 — que somam suas tensões pra chegar perto de 30-40 volts por módulo. E vários módulos em série numa instalação residencial chegam a 300-600 V, o nível que o inversor precisa pra trabalhar.

Esse encadeamento é, do ponto de vista do gerente do sistema, o que explica algumas decisões técnicas mais à frente: por que sombrear uma placa derruba a produção de toda a série (a corrente da série limita-se à da pior placa), por que microinversor é interessante pra sistemas com sombreamento parcial, e por que o dimensionamento conta quantas placas serão necessárias na configuração ideal. Tudo isso vem da física simples lá da junção PN.

A última conversão (e o inversor)

Tem um problema final: a corrente que sai do conjunto de módulos é contínua (DC) — sempre fluindo do positivo pro negativo, sem oscilar. Mas a rede elétrica brasileira e tudo o que está ligado nela (geladeira, máquina, lâmpada, tomada) trabalha em corrente alternada (AC) na frequência de 60 Hz — a tensão "vibra" 60 vezes por segundo. Tomada de 127 V ou 220 V é tensão alternada.

Sem traduzir, a corrente do telhado não conversa com a tomada. Essa tradução é função do inversor — equipamento que ocupa parede da garagem ou área de serviço e converte DC em AC com a forma de onda, tensão e frequência exatas pra integrar com a rede da concessionária. É o "tradutor" do sistema. Vale a leitura específica sobre o que tem dentro do inversor solar pra entender essa parte com profundidade.

Resumindo o caminho inteiro em uma frase: luz do sol arranca elétron do silício dopado, junção PN organiza os elétrons em corrente, o conjunto das placas soma essa corrente em tensão útil, o inversor traduz pra alternada, e a casa funciona. É a física que está por trás do número que aparece na sua conta de luz reduzida a cada mês.

Escrito por Laura Amorim, engenheira eletricista (FEEC/Unicamp), 174 sistemas solares residenciais instalados desde 2018 na região de Campinas e Jundiaí. Os termos técnicos (junção PN, dopantes, fóton, ddp) são simplificações didáticas pra leitor leigo — a física por trás é mais rica e quem quiser pode descer pelo nível de banda de valência e banda de condução em livros de eletrônica básica. Pra entender por que módulo e inversor têm vidas úteis diferentes, leia "Quanto tempo dura energia solar na casa".