A energia fotovoltaica é a conversão direta de luz em eletricidade no nível atômico. Alguns materiais exibem uma propriedade conhecida como efeito fotoelétrico que os faz absorver fótons de luz e liberar elétrons. Quando esses elétrons livres são capturados, resulta uma corrente elétrica que pode ser usada como eletricidade.

O efeito fotovoltaico é a criação de uma corrente elétrica após a exposição solar de um módulo fotovoltáico composto por células fotovolltáicas. Uma célula fotovoltaica funciona a partir da absorção de fótons, que são elementos de energia presentes na luz do sol. O fóton, por sua vez, libera elétrons que fluem através das células, gerando a energia elétrica.

A luz solar é feita de fótons e a energia transportada em cada fóton depende do comprimento de onda do fóton. Uma célula fotovoltaica é feita de dois tipos diferentes de semicondutores (por exemplo, silício, Si), tipo n e tipo p, que são unidos para formar uma junção p-n. Quando a luz solar incide sobre uma célula solar, os fótons associados podem ser refletidos pela célula, passar pela célula ou ser absorvidos pelo material semicondutor. Os fótons que são absorvidos pelo material semicondutor contribuem na geração de eletricidade. Isso acontece porque correspondendo a cada fóton absorvido pelo material, um elétron (carregando carga negativa) é deslocado dos átomos do material. As células solares são projetadas e fabricadas para tornar a superfície frontal da célula solar mais receptiva aos elétrons deslocados ou livres, de modo que esses elétrons livres se movam para a superfície da célula.

 
 

Vídeos sobre os efeito fotovoltaico e seu uso na geração de energia solar

O que é efeito fotovoltaico e como funciona uma célula fotovoltaica - 11:29

Efeito fotovoltaico (demonstrações) - 8:52

Photovoltaic effect - 5:22  (explicação, em Inglês, usando imagens bastante eluvidativas, de como funciona o efeito fotovoltaico)

Quando a luz do sol atinge o painel fotovoltaico solar e de alguma forma ele gera energia elétrica.

O painel solar é o equipamento essencial para se gerar energia fotovoltaica, o qual é composto por células fotovoltaicas fabricadas a partir de materiais semicondutores, como o silício, que absorvem a luz do sol e geram energia elétrica pelo efeito fotovoltaico.

Ele funciona quando os fótons atingem as células fotovoltaicas, fazendo com que alguns dos elétrons que circundam os átomos se desprendam e migrem para a parte da célula de silício que está com ausência de elétrons, criando uma corrente elétrica, chamada de energia solar fotovoltaica.

Quando uma célula fotovoltaica (PV) é exposta à luz solar, tensão e corrente elétrica são criadas na célula. Esse processo é baseado no efeito fotoelétrico no qual a luz é absorvida e excita um elétron a um nível de energia mais alto. A principal diferença entre o chamado efeito fotoelétrico e o efeito fotovoltaico é que, no primeiro caso, o elétron excitado é lançado para fora do material, enquanto no segundo processo ele ainda está contido no material. Porém, em ambos os casos, um potencial elétrico é produzido relacionado à separação de portadores de carga. Assim, para prevalecer a barreira de potencial criada, a luz incidente deve ter energia suficiente.  

Em uma célula solar fotovoltaica, um semicondutor tipo p e um tipo n são colocados em contato físico um com o outro. Consequentemente, uma região estreita é criada entre a junção dos materiais. Essa região é chamada de zona de depleção ou região de carga espacial. Os átomos em um lado desta região estão sem elétrons (íons carregados positivamente) e no outro lado estão sem lacunas (íons carregados negativamente), resultando em um campo elétrico induzido (chamado campo elétrico embutido). Portanto, se uma partícula carregada for colocada nessa região, ela se moverá de um lado da região para o outro lado.
 
 

A geração da corrente ocorre nas células solares. As células solares são feitas com silício, um semicondutor arranjadas com camadas condutoras intercaladas formando um sanduiche.

  

Nas camadas de silício em estado normal cada átomo mantem seus eletrons presos.

 

Para a fabricação de uma célula solar fotovoltaica de silício, o semicondutor é misturado com outros elementos químicos que modificam a sua estrutura original. Esse processo é chamado de dopagem. Uma das camadas é tratada com Fósforo o que a deixa com eletrons extras. e a outra com Boro que passa a ter uma carência de eletrons. 

Assim é possível criar dois tipos distintos do mesmo material semicondutor, um com átomos negativamente carregados (com excesso de elétrons), chamado de Tipo-N, e outro com átomos positivamente carregados (com falta de elétrons ou “buracos”), chamado de Tipo-P. Assim a primeira metade fica com uma carga negativa e a outra com uma carga positiva, que juntas, formam a junção P/N;

   

Quando um photon proveniente da luz solar atinge este sistema, ele pode energizar um eletron o suficiente para que ele se desprenda do átomo, saindo de sua posição original e  e passe a circular no material.

Devido à polarização os eletrons viajam apenas da direção do lado positivo.

Este fenômeno se chamada efeito fotovoltaico.

O fluxo dos eletrons segue para um fio gerando uma corrente elétrica que eventualmente retorna ao silício fechando o círculo.

A Efeito fotovoltaico indicada ilustra o efeito voltaico e a geração de corrente elétrica dele decorrente.