Efecto fotovoltaico - FisicaModernaconLaboratorio

Daniel Alberto Patino Villagomez
Efecto fotovoltáico.
El efecto fotovoltáico es la transformación de la luz en electricidad. Algunos materiales, tienen la
propiedad física de poder obtener fotones y emitir electrones, de esta forma se consigue el efecto
fotovoltáico. Los materiales semiconductores tienen los electrones de su capa de valencia más ligados
al núcleo, si los comparamos con los materiales conductores, pero al tener la propiedad de poder
absorber fotones, les hace comportarse como si fuesen materiales conductores. Si manipulamos los
materiales semiconductores, insertándoles impurezas, conseguimos acelerar el proceso. Para poder
elegir el semiconductor idóneo, tenemos que tener en cuenta el ancho de banda prohibido.
Ancho de banda prohibido.
Todos los materiales tienen un ancho de banda prohibido, excepto los materiales conductores. El ancho
de banda prohibido es el valor mínimo que necesita un fotón para que se pueda producir el efecto
fotovoltáico en un material semiconductor. Se le asigna Eg para denominar la energía que se aprovecha
de un fotón. En la banda prohibida no se encuentra ningún electrón, ya que es un espacio de paso de
electrones, desde la banda de valencia a la banda de conducción.
Como podemos suponer, si el material fuese un aislante, las bandas de valencia y de conducción se
extrecharían y la banda prohibida se ensancharía. Esto es así, porque en un material aislante se necesita
una Eg muy elevada para que un electrón pueda atravesar la banda prohibida. Por este motivo, el ancho
de banda prohibido determina que tipo de material estamos examinando, un aislante, un semiconductor
o un conductor. Sobra decir, que en un material conductor, el ancho de banda prohibido no existe.
Como sabéis, existen diferentes modelos para examinar la estructura atómica de los elementos. Por
regla general se utiliza el modelo de Bohr, también llamado modelo de órbitas discretas, es el modelo
en que se representa gráficamente un átomo con electrones y neutrones orbitando en diferentes capas.
Pero este modelo, es insuficiente para poder explicar el comportamiento de estructuras complejas, es
decir, con una gran densidad atómica. Por este motivo, se utiliza el modelo de bandas de niveles de
energía, que sí permite analizar y explicar éstas estructuras. Por ejemplo, si usamos el carbono como
ejemplo, nos daremos cuenta que se puede encontrar en la naturaleza de varias formas, entre ellas, en
forma de grafito o de diamante, al tener diferentes formas, también tiene diferentes capas o niveles de
energía y de estructura atómica, por ello se usa el modelo de bandas de energía.
Historia de las células solares fotovoltaicas
El término fotovoltaico viene del griego (luz) y del nombre del físico italiano Volta, de donde proviene
también voltio y voltaje. Literalmente significa luz y electricidad.
El efecto fotovoltaico fue atribuido por primera vez, en 1839, al físico francés Alexandre-Edmond
Becquerel, sin embargo, no fue hasta 1883 cuando Charles Fritts construyó la primera célula
fotovoltaica, recubriendo un semiconductor de selenio por una fina capa de oro, formando las primeras
uniones p-n. Este pequeño dispositivo sólo tenía una eficiencia del 1%. Russell Ohl patentó la moderna
célula solar en 1946 (US2402662).
Actualmente, podemos hablar ya de tres generaciones de células solares:
 Primera generación. El dispositivo consiste en una gran superficie de silicio, formada por una
única capa de uniones p-n, la cual es capaz de generar electricidad usando el espectro visible de
la luz solar. De este tipo son la mayoría de las células que se producen en la actualidad. Su
eficiencia es baja, el rendimiento práctico no suele ir más allá del 15% y su coste, debido al
proceso de elaboración, muy elevado.
 Segunda generación. Se basa en múltiples capas de uniones p-n. Cada capa está diseñada para
absorber una longitud de onda mayor de la luz, incrementando la producción de electricidad y
por tanto, la eficiencia.
 Tercera generación. Esta generación es muy diferente de las otras dos. El semiconductor no se
apoya sobre las uniones p-n tradicionales para separar las cargas eléctricas foto-generadas.
Estos nuevos dispositivos son las células solares del tipo sensibilizado por tinte (dye sensitized
solar cells), las células de polímeros orgánicos y las de puntos cuánticos (quantum dot).
Principios físicos
Explicación simple
1. Los fotones de la luz solar chocan contra la célula solar y son absorbidos por un material
semiconductor, por ejemplo el silicio.
2. Los electrones (carga negativa) salen despedidos de sus átomos respectivos, recorriendo el
semiconductor y produciendo electricidad. Complementariamente a este efecto, también se
crean (como burbujas) los huecos (carga positiva), que fluyen en dirección opuesta a la de los
electrones.
3. Una agrupación numerosa de células solares, convierte la energía solar en corriente eléctrica
continua lista para ser utilizada.
Opcionalmente,
1. La corriente continua puede entrar en un inversor.
2. El inversor convierte la corriente eléctrica continua en corriente alterna de 110 o 220 voltios,
apta para el uso doméstico.
3. La corriente alterna puede ser inyectada en la red de distribución eléctrica y ser transportada a
otros lugares.
Electrones y huecos
Como sabemos, la materia está compuesta por átomos, los cuales a su vez están formados por dos
partes bien diferenciadas: el núcleo, dotado de carga eléctrica positiva y los electrones, que giran
alrededor del núcleo en diferentes bandas de energía, con carga negativa que compensa a la del núcleo.
Este conjunto, en condiciones normales, se mantiene estable y es eléctricamente neutro.
A los electrones de la última capa se les ha dado el nombre de electrones de valencia y tienen la
característica de poder relacionarse con otros similares, formando una red cristalina. En base al
comportamiento de los electrones de esta última capa, se puede hacer una división de los materiales
eléctricos en: conductores, semiconductores y aislantes.
Cuando un fotón choca contra un trozo de silicio pueden pasar tres cosas:
 El fotón atraviesa el silicio y sigue su camino. Esto ocurre cuando la energía del fotón es menor
que la energía que liga a los electrones de la última capa con su núcleo.
 El fotón es reflejado por la superficie de silicio. En este caso, la energía del fotón es mayor que
la del enlace.
 El fotón es absorbido por el silicio. Esto ocurre cuando la energía del fotón es similar a la
energía que liga a los electrones de valencia con el núcleo.
En este último caso, el fotón cede su energía al electrón y puede romper el enlace que le vincula al
núcleo, quedando libre para circular por el semiconductor. El lugar dejado por el electrón se llama
hueco y tiene carga positiva (igual a la del electrón pero de distinto signo). Estos huecos también se
desplazan, ya que el electrón liberado es susceptible de caer en un hueco próximo. Este fenómeno de
que un electrón ocupe la posición dejada por otro, se conoce con el nombre de recombinación.
Cuando la luz solar bombardea con fotones la superficie de un semiconductor, los pares de electroneshuecos creados se desplazan hacia zonas no iluminadas donde se recombinan y estabilizan al perder
actividad. Sin embargo al moverse ambos en la misma dirección, no se produce corriente eléctrica. Para
que se produzca una corriente eléctrica es necesario que los electrones-huecos se muevan en
direcciones opuestas. Esto se puede conseguir creando un campo eléctrico en el interior del
semiconductor.
La región n y la región p
Existen varias formas de crear un campo eléctrico en el interior de un semiconductor, casi todas ellas se
basan en el potencial de contacto y la afinidad que ciertos materiales tienen por los electrones. En las
células solares, lo que se suele hacer es unir dos regiones del silicio que han sido tratadas químicamente
de forma diferente.
Una de las regiones, la denominada n ha sido dopada, impurificada con fósforo. El fósforo tiene 5
electrones de valencia, uno más que el silicio, de modo que esta región muestra una afinidad por los
electrones menor que el silicio.
La otra región, denominada p, ha sido dopada con boro. El boro tiene sólo tres electrones de valencia,
por lo que su afinidad para captar electrones es mayor que la del silicio puro.
Si unimos estas dos regiones por medio de materiales conductores, la unión p-n así formada presenta
una diferencia de potencial que hace que los electrones liberados vayan hacia la zona n y los huecos
hacia la zona p, produciéndose una corriente eléctrica.
Circuito equivalente de la célula solar
Símbolo esquemático de una célula solar
Circuito equivalente de una célula solar
Para entender el comportamiento de una célula solar, es útil partir de un modelo eléctrico equivalente,
basado en componentes eléctricos bien conocidos. Una célula ideal puede ser modelada como una
fuente eléctrica conectada con un diodo en paralelo.
En la práctica, no existen células ideales, por lo que se colocan un resistencia en paralelo y una
resistencia en serie.
A la izquierda se muestra dicho circuito equivalente. A la derecha, la representación esquemática de
una célula solar.
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Fuentes
http://es.wikipedia.org/wiki/Panel_fotovoltaico
http://www.portalsolar.com/energia-solar-efecto-fotovoltaico.html
http://www.solarpedia.es/index.php/C%C3%A9lula_solar#Principios_f.C3.ADsicos
http://solarfotovoltaica.galeon.com/ARCHIVOS/efecto.htm