Principio de funcionamento da célula solar ou célula fotovoltaica
A conversión da enerxía luminosa en enerxía eléctrica basease nun fenómeno chamado efecto fotovoltaico. Cando os materiais semiconductores están expostos á luz, algúns dos fótons do raio de luz son absorbidos polo cristal semiconductor, o que causa un número significativo de eléctrons libres no cristal. Este é o motivo básico para a xeración de electricidade debido ao efecto fotovoltaico. A célula fotovoltaica é a unidade básica do sistema onde se utiliza o efecto fotovoltaico para producir electricidade a partir da enerxía luminosa. O silicio é o material semiconductor máis amplamente utilizado para construír a célula fotovoltaica. O átomo de silicio ten catro eléctrons de valencia. No cristal sólido, cada átomo de silicio comparte cada un dos seus catro eléctrons de valencia con outro átomo de silicio máis próximo, creando así ligazóns covalentes entre eles. De esta forma, o cristal de silicio obtén unha estrutura reticular tetraédrica. Cando un raio de luz incide sobre calquera material, parte da luz reflétese, outra parte transmite a través do material e o resto absorbése polo material.
O mesmo ocorre cando a luz incide sobre un cristal de silicio. Se a intensidade da luz incidente é suficientemente alta, un número suficiente de fótons son absorbidos polo cristal, e estes fótons, a súa vez, excitán algunhas das eléctrons das ligazóns covalentes. Estes eléctrons excitados entón obteñen suficiente enerxía para migrar da banda de valencia á banda de conducción. Como o nivel de enerxía destes eléctrons está na banda de conducción, abandonan a ligazón covalente deixando un buraco na ligazón detrás de cada eléctron removido. Estes chámase eléctrons libres que se moven aleatoriamente dentro da estrutura cristalina do silicio. Estes eléctrons libres e buracos teñen un papel vital na xeración de electricidade na célula fotovoltaica. Estes eléctrons e buracos chámanse, respectivamente, eléctrons e buracos xerados pola luz. Estes eléctrons e buracos xerados pola luz non poden producir electricidade no cristal de silicio sozinhos. Debería haber algún mecanismo adicional para facelo.
Cando se engade un impureza pentavalente como o fósforo ao silicio, os catro eléctrons de valencia de cada átomo de fósforo pentavalente comparten a través de ligazóns covalentes con catro átomos de silicio veciños, e o quinto eléctron de valencia non ten oportunidade de crear unha ligazón covalente.
Este quinto eléctron entón está relativamente debilmente ligado ao seu átomo pai. Incluso a temperatura ambiente, a enerxía térmica dispoñible no cristal é suficiente para dissociar estes eléctrons relativamente sueltos do seu átomo de fósforo pai. Mentres este quinto eléctron relativamente suelto se dissociar do átomo de fósforo pai, o átomo de fósforo converte-se en ions positivos inmóveis. O dito eléctron dissociado torna-se libre pero non ten ningunha ligazón covalente incompleta ou buraco no cristal para ser reasociado. Estes eléctrons libres que provén da impureza pentavalente están sempre dispostos a conducir corrente no semiconductor. Aínda que hai un número de eléctrons libres, a substancia segue sendo eléctricamente neutra xa que o número de íons de fósforo positivos encerrados na estrutura cristalina é exactamente igual ao número de eléctrons libres que saen delles. O proceso de inserción de impurezas no semiconductor coñécese como dopaxe, e as impurezas dopadas coñécense como dopantes. Os dopantes pentavalentes que donan o seu quinto eléctron libre ao cristal semiconductor coñécense como doadores. Os semiconductores dopados con impurezas doadoras coñécense como semiconductores tipo n ou tipo negativo, xa que hai abundancia de eléctrons libres que son negativamente cargados por natureza.
Cando en lugar de átomos de fósforo pentavalentes, se engaden átomos de impureza trivalentes como o boro a un cristal semiconductor, créase o tipo oposto de semiconductor. Neste caso, algúns átomos de silicio na rede cristalina serán substituídos por átomos de boro, en outras palabras, os átomos de boro ocuparán as posicións dos átomos de silicio substituídos na estrutura reticular. Os tres eléctrons de valencia do átomo de boro parearan coos eléctrons de valencia de tres átomos de silicio veciños para crear tres ligazóns covalentes completas. Para esta configuración, haverá un átomo de silicio para cada átomo de boro, cuxo cuarto eléctron de valencia non atopará nenhum eléctron de valencia veciño para completar a súa cuarta ligazón covalente. Polo tanto, este cuarto eléctron de valencia destes átomos de silicio permanece sen emparellar e comporta como unha ligazón incompleta. Así, hai unha falta dun eléctron na ligazón incompleta, e por tanto, unha ligazón incompleta sempre atrai eléctrons para satisfacer esta falta. Así, hai un vacío para que o eléctron se asiente.
Este vacío concéptual chámase buraco positivo. En un semiconductor dopado con impurezas trivalentes, un número significativo de ligazóns covalentes están continuamente rotas para completar outras ligazóns covalentes incompletas. Cando se rompe unha ligazón, crea un buraco nela. Cando se completa unha ligazón, o buraco nela desaparece. De esta maneira, un buraco parece desaparecer e outro buraco veciño aparece. Así, os buracos teñen un movemento relativo dentro do cristal semiconductor. Deste xeito, pode dicirse que os buracos tamén poden moverse libremente como os eléctrons libres dentro do cristal semiconductor. Como cada buraco pode aceptar un eléctron, as impurezas trivalentes coñécense como dopantes acceptores e os semiconductores dopados con dopantes acceptores coñécense como semiconductores tipo p ou tipo positivo.
No semiconductor tipo n, principalmente os eléctrons libres transportan carga negativa e no semiconductor tipo p, principalmente os buracos transportan carga positiva, polo que os eléctrons libres no semiconductor tipo n e os buracos libres no semiconductor tipo p chámanse portadores maioritarios no semiconductor tipo n e tipo p, respectivamente.
Hai sempre unha barreira de potencial entre o material tipo n e tipo p. Esta barreira de potencial é esencial para o funcionamento dunha célula fotovoltaica ou solar. Cando o semiconductor tipo n e o tipo p entran en contacto, os eléctrons libres próximos á superficie de contacto do semiconductor tipo n atopan abundancia de buracos adjuntos do material tipo p. Polo tanto, os eléctrons libres no semiconductor tipo n próximos á súa superficie de contacto saltan aos buracos adjacentes do material tipo p para recombinar. Non só os eléctrons libres, senón tamén os eléctrons de valencia do material tipo n próximos á superficie de contacto saen da ligazón covalente e recombinan con buracos máis próximos no semiconductor tipo p. Como as ligazóns covalentes están rotas, habrá un número de buracos creados no material tipo n próximos á superficie de contacto. Polo tanto, na zona de proximidade, os buracos no material tipo p desaparecen debido á recombinación, mentres que os buracos aparecen no material tipo n na mesma zona de proximidade. Isto é equivalente á migración de buracos do material tipo p ao tipo n. Así, tan pronto como un semiconductor tipo n e un tipo p entran en contacto, os eléctrons do tipo n transferiran ao tipo p e os buracos do tipo p transferiran ao tipo n. O proceso é moi rápido pero non continua eternamente. Despois de algún instante, haverá unha capa de carga negativa (exceso de eléctrons) no semiconductor tipo p adxacente ao contacto ao longo da superficie de contacto. Da mesma forma, haverá unha capa de carga positiva (íons positivos) no semiconductor tipo n adxacente ao contacto ao longo da superficie de contacto. A espesor destas capas de carga negativa e positiva aumenta ata certo punto, pero despois, ningún eléctron máis migrará do semiconductor tipo n ao tipo p. Isto é porque, cando calquera eléctron do semiconductor tipo n intenta migrar sobre o tipo p, enfréntase a unha capa suficientemente espesa de íons positivos no propio semiconductor tipo n, onde caerá sen cruzala. Da mesma forma, os buracos non migrarán máis ao semiconductor tipo n desde o tipo p. Os buracos, cando tentan cruzar a capa negativa no semiconductor tipo p, recombinan con eléctrons e non hai máis movemento cara á rexión tipo n.
En outras palabras, a capa de carga negativa no lado tipo p e a capa de carga positiva no lado tipo n forman xuntas unha barreira que opónse á migración de portadores de carga dende un lado ao outro. Da mesma forma, os buracos na rexión tipo p son detidos de entrar na rexión tipo n. Debido ás capas cargadas positiva e negativamente, habrá un campo eléctrico a través da rexión, e esta rexión chámase capa de depauperación.
Agora, volvamos ao cristal de silicio. Cando un raio de luz incide no cristal, parte da luz é absorbida polo cristal, e en consecuencia, algúns dos eléctrons de valencia son excitados e saen da ligazón covalente, resultando en pares eléctron-buraco libres.
Se a luz incide no semiconductor tipo n, os eléctrons xerados pola luz desses pares eléctron-buraco non poden migrar á rexión tipo p xa que non poden cruzar a barreira de potencial debido á repulsión do campo eléctrico a través da capa de depauperación. Ao mesmo tempo, os buracos xerados pola luz cruzan a rexión de depauperación debido á atracción do campo eléctrico da capa de depauperación, onde recombinan con eléctrons, e entón a falta de eléctrons aquí é compensada polos eléctrons de valencia da rexión tipo p, e isto crea o mesmo número de buracos na rexión tipo p. Así, os buracos xerados pola luz son desprazados á rexión tipo p, onde quedan atrapados porque, unha vez que chegan á rexión tipo p, non poden volver á rexión tipo n debido á repulsión da barreira de potencial.
Como a carga negativa (eléctrons xerados pola luz) está atrapada nun lado e a carga positiva (buracos xerados pola luz) está atrapada no lado oposto da célula, haverá unha diferenza de potencial entre estes dous lados da célula. Esta diferenza de potencial é típicamente de 0,5 V. É así como as células fotovoltaicas ou células solares xeran unha diferenza de potencial.
Declaración: Respetar o original, artigos boos mérito compartir, se hai infracción por favor contactar para eliminar.
