¿Qué es el Efecto Fotovoltaico?

El efecto por el cual la energía lumínica se convierte en energía eléctrica en ciertos materiales semiconductores se conoce como efecto fotovoltaico. Este convierte directamente la energía lumínica en electricidad sin ningún proceso intermedio. Para demostrar el efecto fotovoltaico supongamos un bloque de cristal de silicio.
La parte superior de este bloque está dopada con impurezas donadoras y la parte inferior está dopada con impurezas aceptoras. Por lo tanto, la concentración de electrones libres es bastante alta en la región n tipo en comparación con la región p tipo, y la concentración de huecos es bastante alta en la región p tipo en comparación con la región n tipo del bloque. Habrá un gradiente de concentración alto de portadores de carga a través de la línea de unión del bloque. Los electrones libres de la región n tipo intentan difundirse a la región p tipo y los huecos en la región p tipo intentan difundirse a la región n tipo en el cristal. Esto se debe a que los portadores de carga, por naturaleza, siempre tienden a difundirse de una región de alta concentración a una de baja concentración. Cada electrón libre de la región n tipo, al difundirse a la región p tipo, deja un ion donador positivo detrás de él en la región n tipo.

Esto se debe a que cada electrón libre en la región n tipo es aportado por un átomo donador neutro. De manera similar, cuando un hueco se difunde de la región p tipo a la región n tipo, deja un ion aceptor negativo detrás de él en la región p tipo.

Dado que cada hueco es aportado por un átomo aceptor en la región p tipo. Ambos iones, es decir, iones donadores e iones aceptores, son inmóviles y fijos en su posición en la estructura cristalina. Es innecesario decir que aquellos electrones libres de la región n tipo que están más cerca de la región p tipo primero se difunden en la región p tipo, creando así una capa de iones donadores inmóviles positivos en la región n tipo adyacente a la unión.

De manera similar, aquellos huecos libres de la región p tipo que están más cerca de la región n tipo primero se difunden en la región n tipo, creando así una capa de iones aceptores inmóviles negativos en la región p tipo adyacente a la unión. Estas capas de concentración de iones positivos y negativos crean un campo eléctrico a través de la unión que se dirige de positivo a negativo, es decir, desde el lado n tipo hacia el lado p tipo. Ahora, debido a la presencia de este campo eléctrico, los portadores de carga en el cristal experimentan una fuerza para desplazarse según la dirección de este campo eléctrico. Como sabemos, la carga positiva siempre se desplaza en la dirección del campo eléctrico, por lo que los huecos cargados positivamente (si los hay) en la región n tipo ahora se desplazan hacia el lado p de la unión.

Por otro lado, los electrones cargados negativamente en la región p tipo (si los hay) se desplazan hacia la región n, ya que la carga negativa siempre se desplaza en dirección opuesta al campo eléctrico. A través de una unión p-n, la difusión y el desplazamiento de los portadores de carga continúan. La difusión de los portadores de carga crea e incrementa el espesor de la barrera de potencial a través de la unión, y el desplazamiento de los portadores de carga reduce el espesor de la barrera. En condiciones normales de equilibrio térmico y en ausencia de cualquier fuerza externa, la difusión de los portadores de carga es igual y opuesta al desplazamiento de los portadores de carga, por lo que el espesor de la barrera de potencial permanece fijo.

Ahora, la superficie n tipo del bloque de cristal de silicio está expuesta a la luz solar. Algunos de los fotones son absorbidos por el bloque de silicio. Algunos de los fotones absorbidos tendrán una energía mayor que la brecha de energía entre las bandas de valencia y conducción de los electrones de valencia de los átomos de silicio. Por lo tanto, algunos de los electrones de valencia en el enlace covalente serán excitados y saltarán fuera del enlace, dejando un hueco en el enlace. De esta manera, se generan pares electrón-hueco en el cristal debido a la luz incidente. Los huecos de estos pares electrón-hueco generados por la luz en el lado n tipo tienen una alta probabilidad de recombinarse con los numerosos electrones (portadores de mayoría). Por lo tanto, la célula solar está diseñada de tal manera que los electrones o huecos generados por la luz no tengan muchas oportunidades de recombinarse con los portadores de mayoría.

El semiconductor (silicio) está dopado de tal manera que la unión p-n se forma en muy cercana vecindad de la superficie expuesta de la célula. Si se crea un par electrón-hueco dentro de una longitud de difusión de portadores de minoría, de la unión, los electrones del par electrón-hueco se desplazarán hacia la región n tipo y el hueco del par será arrastrado hacia la región p debido a la influencia del campo eléctrico de la unión, y por lo tanto, en promedio, contribuirá a la corriente de flujo en un circuito externo.

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