Por Chris Deziel | Atualizado em 30 de agosto de 2022

Crédito da foto:luchschen/iStock/GettyImages

Os painéis solares são essencialmente conjuntos de células fotovoltaicas que convertem a luz solar em eletricidade. Embora os painéis comerciais usem silício dopado, é ao mesmo tempo educativo e impressionante construir suas próprias células a partir de materiais comuns. Com uma folha de cobre, um pouco de água salgada e uma garrafa transparente, você pode gerar uma corrente mensurável a partir da luz solar – suficiente, quando combinada em série, para carregar uma bateria ou acender uma pequena lâmpada.

A ciência por trás da célula de cobre

Quando Heinrich Hertz observou pela primeira vez o efeito fotoelétrico, ele trabalhou com placas de metal – muitas vezes cobre oxidado – porque as pastilhas de silício ainda não estavam disponíveis. O cobre oxidado, especificamente o óxido cuproso (Cu₂O), comporta-se como um semicondutor. Quando imersos em um eletrólito e expostos à luz, os elétrons são excitados e fluem do cobre para a solução circundante. Uma placa de cobre limpa serve como ânodo, enquanto a placa oxidada atua como cátodo, criando uma diferença de tensão que conduz a corrente através de um circuito externo.

Preparando a Placa de Cobre

Comece com aproximadamente meio metro quadrado de cobre, que pode ser encontrado na maioria das lojas de ferragens. Usando recortes de estanho, corte a folha em dois pedaços iguais. Lave ambas as peças com água e sabão para remover qualquer gordura ou resíduo.

Coloque uma folha sobre o queimador de um fogão elétrico, garantindo que cubra a superfície. Defina o calor para a configuração mais alta e observe a mudança de cor - primeiro clareando, depois escurecendo à medida que uma fina camada de óxido cúprico (CuO) se forma. Deixe o cobre atingir uma aparência preta e continue aquecendo por mais 30 minutos. Desligue o fogo e deixe o prato esfriar no queimador.

À medida que a placa esfria, o cobre e o óxido cúprico encolhem em taxas diferentes, fazendo com que o revestimento preto descasque. Assim que a placa estiver completamente fria, escove suavemente quaisquer flocos soltos. Abaixo da camada em flocos permanece uma faixa vermelha de óxido cuproso – esta é a camada semicondutora essencial para o funcionamento da célula. Não remova esta camada vermelha.

Montando a célula em uma garrafa

Use uma garrafa plástica transparente de um litro como recipiente. Corte a garrafa perto do meio, retire a tampa e abra o fundo para que fique uma bandeja rasa. Dobre a folha de cobre aquecida em um semicírculo e coloque-a dentro da garrafa de forma que ela encoste em um dos lados, com o lado oxidado voltado para fora. Repita com a folha de cobre não aquecida, posicionando-a no lado oposto. Certifique-se de que as placas não se toquem.

Em um copo separado, dissolva duas colheres de sopa de sal de cozinha em cerca de duas xícaras de água morna. Despeje a solução salina na garrafa, enchendo-a cerca de ¾ da sua capacidade. A parte superior das placas de cobre deve permanecer acima do líquido, permitindo a fixação de pinças jacaré.

Testando a célula

Leve a célula para fora e coloque-a sobre uma superfície plana, orientando a placa oxidada para a luz solar direta. Conecte um multímetro às placas usando pinças jacaré. Configure o medidor para ler microamperes (µA). Em pleno sol, o medidor deve registrar entre 33µA e 50µA. Mude o medidor para o modo de tensão; você deve observar cerca de 0,25 V. Calculando os rendimentos máximos de potência:

P =V × I =0,25 V × 0,00005A =0,0000125W ou 12,5µW.

Conectando células em série para aumentar a produção

Os painéis solares são conjuntos de células conectadas em série, que adicionam suas tensões enquanto mantêm a corrente constante. Para construir uma matriz em série simples, conecte a placa de cobre limpa (ânodo) de uma célula de garrafa à placa oxidada (cátodo) da próxima célula com um fio e pinças jacaré. Meça a tensão nas duas placas livres restantes; a tensão deve dobrar para aproximadamente 0,5 V. Cada célula adicional em série adiciona outros 0,25 V. Encadeando células suficientes, você pode obter a tensão ou a potência necessária para carregar uma bateria ou alimentar um pequeno LED.

Dicas práticas e de segurança

• Manuseie as placas de cobre quentes com cuidado para evitar queimaduras.
• Use pinças jacaré isoladas para evitar curto-circuitos.
• Ao aumentar a escala, considere usar um recipiente maior ou um eletrólito mais robusto para melhorar a eficiência.