Principio de funcionamiento de la celda solar o célula fotovoltaica
La conversión de la energía lumínica en energía eléctrica se basa en un fenómeno llamado efecto fotovoltaico. Cuando los materiales semiconductores están expuestos a la luz, algunos de los fotones del rayo de luz son absorbidos por el cristal semiconductor, lo que causa un número significativo de electrones libres en el cristal. Esta es la razón básica para la producción de electricidad debido al efecto fotovoltaico. Celda fotovoltaica es la unidad básica del sistema donde se utiliza el efecto fotovoltaico para producir electricidad a partir de la energía lumínica. El silicio es el material semiconductor más ampliamente utilizado para construir la celda fotovoltaica. El átomo de silicio tiene cuatro electrones de valencia. En un cristal sólido, cada átomo de silicio comparte cada uno de sus cuatro electrones de valencia con otro átomo de silicio vecino, creando así enlaces covalentes entre ellos. De esta manera, el cristal de silicio adquiere una estructura reticular tetraédrica. Cuando un rayo de luz incide sobre cualquier material, una parte de la luz se refleja, otra parte se transmite a través del material y el resto es absorbido por el material.
Lo mismo sucede cuando la luz incide sobre un cristal de silicio. Si la intensidad de la luz incidente es suficientemente alta, un número suficiente de fotones es absorbido por el cristal y estos fotones, a su vez, excitan algunos de los electrones de los enlaces covalentes. Estos electrones excitados entonces obtienen suficiente energía para migrar de la banda de valencia a la banda de conducción. Como el nivel de energía de estos electrones está en la banda de conducción, se liberan de los enlaces covalentes dejando un hueco en el enlace detrás de cada electrón removido. Estos se llaman electrones libres y se mueven aleatoriamente dentro de la estructura cristalina del silicio. Estos electrones libres y huecos tienen un papel vital en la creación de electricidad en la celda fotovoltaica. Estos electrones y huecos se denominan, respectivamente, electrones y huecos generados por la luz. Estos electrones y huecos generados por la luz no pueden producir electricidad en el cristal de silicio por sí solos. Debe haber algún mecanismo adicional para hacerlo.
Cuando se añade un impureza pentavalente como el fósforo al silicio, los cuatro electrones de valencia de cada átomo de fósforo pentavalente se comparten a través de enlaces covalentes con cuatro átomos de silicio vecinos, y el quinto electrón de valencia no tiene la oportunidad de crear un enlace covalente.
Este quinto electrón entonces está relativamente débilmente unido a su átomo padre. Incluso a temperatura ambiente, la energía térmica disponible en el cristal es suficiente para disociar estos electrones relativamente débiles del átomo de fósforo. Cuando este quinto electrón relativamente débil se disocia del átomo de fósforo, el átomo de fósforo se convierte en iones positivos inmóviles. El electrón disociado se vuelve libre, pero no tiene ningún enlace covalente incompleto o hueco en el cristal para reasociarse. Estos electrones libres provenientes de la impureza pentavalente siempre están listos para conducir corriente en el semiconductor. Aunque hay un número de electrones libres, el material sigue siendo eléctricamente neutro, ya que el número de iones positivos de fósforo encerrados en la estructura cristalina es exactamente igual al número de electrones libres que salen de ellos. El proceso de insertar impurezas en el semiconductor se conoce como dopado, y las impurezas que se dopan se conocen como dopantes. Los dopantes pentavalentes que donan su quinto electrón libre al cristal semiconductor se conocen como donadores. Los semiconductores dopados con impurezas donadoras se conocen como semiconductores tipo n o negativos, ya que hay muchos electrones libres que son negativamente cargados por naturaleza.
Cuando en lugar de átomos de fósforo pentavalente, se añaden átomos de impurezas trivalentes como el boro a un cristal semiconductor, se crea un tipo opuesto de semiconductor. En este caso, algunos átomos de silicio en la red cristalina serán reemplazados por átomos de boro, es decir, los átomos de boro ocuparán las posiciones de los átomos de silicio reemplazados en la estructura reticular. Tres electrones de valencia del átomo de boro se emparejarán con electrones de valencia de tres átomos de silicio vecinos para crear tres enlaces covalentes completos. Para esta configuración, habrá un átomo de silicio para cada átomo de boro, cuyo cuarto electrón de valencia no encontrará electrones de valencia vecinos para completar su cuarto enlace covalente. Por lo tanto, este cuarto electrón de valencia de estos átomos de silicio permanece sin emparejar y se comporta como un enlace incompleto. Así, habrá una falta de un electrón en el enlace incompleto, y, por lo tanto, un enlace incompleto siempre atraerá un electrón para cumplir con esta falta. Como tal, hay un vacío para que el electrón se siente.
Este vacío se llama conceptualmente agujero positivo. En un semiconductor dopado con impurezas trivalentes, un número significativo de enlaces covalentes se rompen continuamente para completar otros enlaces covalentes incompletos. Cuando un enlace se rompe, se crea un agujero en él. Cuando un enlace se completa, el agujero en él desaparece. De esta manera, un agujero parece desaparecer para aparecer otro agujero vecino. Así, los agujeros tienen movimiento relativo dentro del cristal semiconductor. Dicho esto, se puede afirmar que los agujeros también pueden moverse libremente como electrones libres dentro del cristal semiconductor. Como cada agujero puede aceptar un electrón, las impurezas trivalentes se conocen como dopantes aceptores y los semiconductores dopados con dopantes aceptores se conocen como semiconductores tipo p o positivos.
En el semiconductor tipo n, principalmente los electrones libres llevan carga negativa y en el semiconductor tipo p, principalmente los huecos llevan carga positiva, por lo tanto, los electrones libres en el semiconductor tipo n y los huecos libres en el semiconductor tipo p se llaman portadores mayoritarios en el semiconductor tipo n y tipo p, respectivamente.
Siempre hay una barrera de potencial entre el material tipo n y tipo p. Esta barrera de potencial es esencial para el funcionamiento de una celda fotovoltaica o solar. Cuando un semiconductor tipo n y un semiconductor tipo p entran en contacto, los electrones libres cerca de la superficie de contacto del semiconductor tipo n encuentran muchos huecos adyacentes del material tipo p. Por lo tanto, los electrones libres en el semiconductor tipo n cerca de su superficie de contacto saltan a los huecos adyacentes del material tipo p para recombinarse. No solo los electrones libres, sino también los electrones de valencia del material tipo n cerca de la superficie de contacto salen de los enlaces covalentes y se recombinan con huecos más cercanos en el semiconductor tipo p. Al romperse los enlaces covalentes, se creará un número de huecos en el material tipo n cerca de la superficie de contacto. Por lo tanto, cerca de la zona de contacto, los huecos en el material tipo p desaparecen debido a la recombinación, mientras que aparecen huecos en el material tipo n cerca de la misma zona de contacto. Esto es equivalente a la migración de huecos desde el tipo p al tipo n. Así, tan pronto como un semiconductor tipo n y un semiconductor tipo p entran en contacto, los electrones del tipo n se transferirán al tipo p y los huecos del tipo p se transferirán al tipo n. El proceso es muy rápido, pero no continúa para siempre. Después de un instante, habrá una capa de carga negativa (exceso de electrones) en el semiconductor tipo p adyacente a la superficie de contacto. Del mismo modo, habrá una capa de carga positiva (iones positivos) en el semiconductor tipo n adyacente a la superficie de contacto. El grosor de estas capas de carga negativa y positiva aumenta hasta cierto punto, pero después de eso, no se migrarán más electrones del semiconductor tipo n al tipo p. Esto se debe a que, cuando cualquier electrón del semiconductor tipo n intenta migrar sobre el tipo p, enfrenta una capa suficientemente gruesa de iones positivos en el tipo n, donde caerá sin cruzarla. Del mismo modo, los huecos ya no migrarán al tipo n desde el tipo p. Los huecos, al intentar cruzar la capa negativa en el tipo p, se recombinarán con electrones y no habrá más movimiento hacia la región tipo n.
En otras palabras, la capa de carga negativa en el lado tipo p y la capa de carga positiva en el lado tipo n forman juntas una barrera que se opone a la migración de los portadores de carga de un lado a otro. Del mismo modo, los huecos en la región tipo p se contienen para no entrar en la región tipo n. Debido a las capas de carga positiva y negativa, habrá un campo eléctrico a través de la región, y esta región se llama capa de agotamiento.
Ahora, volvamos al cristal de silicio. Cuando un rayo de luz incide en el cristal, una parte de la luz es absorbida por el cristal, y, consecuentemente, algunos de los electrones de valencia se excitan y salen del enlace covalente, resultando en pares de electrones-huecos libres.
Si la luz incide en un semiconductor tipo n, los electrones de estos pares de electrones-huecos generados por la luz no pueden migrar a la región tipo p, ya que no pueden cruzar la barrera de potencial debido a la repulsión del campo eléctrico a través de la capa de agotamiento. Al mismo tiempo, los huecos generados por la luz cruzan la capa de agotamiento debido a la atracción del campo eléctrico de la capa de agotamiento, donde se recombinan con electrones, y luego la falta de electrones aquí se compensa con electrones de valencia de la región tipo p, lo que genera tantos huecos en la región tipo p. Así, los huecos generados por la luz se desplazan a la región tipo p, donde quedan atrapados porque, una vez que llegan a la región tipo p, no pueden volver a la región tipo n debido a la repulsión de la barrera de potencial.
Como la carga negativa (electrones generados por la luz) está atrapada en un lado y la carga positiva (huecos generados por la luz) está atrapada en el lado opuesto de la célula, habrá una diferencia de potencial entre estos dos lados de la célula. Esta diferencia de potencial es típicamente de 0.5 V. De esta manera, las celdas fotovoltaicas o celdas solares producen una diferencia de potencial.
Declaración: Respetar el original, artículos buenos que merecen ser compartidos, si hay infracción por favor contactar para eliminar.
