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¿Dónde se utiliza el efecto fotovoltaico?

marzo 17, 2022
¿Dónde se utiliza el efecto fotovoltaico?

Tecnología Pv

Hemos recorrido un largo camino para comprender los semiconductores y ver cómo se relacionan con la fabricación de células solares. Una célula solar es esencialmente una unión PN con una gran superficie. El material de tipo N se mantiene delgado para permitir que la luz pase a través de la unión PN.

La luz viaja en paquetes de energía llamados fotones. La generación de corriente eléctrica se produce dentro de la zona de agotamiento de la unión PN. La zona de agotamiento, como se ha explicado anteriormente con el diodo, es el área alrededor de la unión PN donde los electrones del silicio tipo N, se han difundido hacia los huecos del material tipo P. Cuando un fotón de luz es absorbido por uno de estos átomos en el silicio tipo N, desalojará un electrón, creando un electrón libre y un agujero. El electrón libre y el agujero tienen suficiente energía para saltar fuera de la zona de agotamiento. Si se conecta un cable desde el cátodo (silicio tipo N) al ánodo (silicio tipo P), los electrones fluirán a través del cable. El electrón es atraído por la carga positiva del material tipo P y viaja a través de la carga externa (medidor) creando un flujo de corriente eléctrica. El agujero creado por el electrón desalojado es atraído por la carga negativa del material tipo N y migra hacia el contacto eléctrico posterior. Cuando el electrón entra en el silicio de tipo P desde el contacto eléctrico posterior, se combina con el agujero restaurando la neutralidad eléctrica.

Células solares

El efecto fotovoltaico es un fenómeno en el que se crea una tensión electromotriz en un material por su exposición a una radiación de longitudes de onda específicas. En el caso de la luz, la radiación son en realidad fotones, las partículas básicas de la luz. Dependiendo de su energía, que viene determinada por la longitud de onda, los fotones tienen la capacidad de expulsar electrones de la estructura cristalina de un material.

En la práctica, se utilizan semiconductores, sobre todo el silicio. La energía mínima necesaria para expulsar un electrón de la estructura cristalina es de 1,12 eV (correspondiente a una longitud de onda de 1.105 nm). Los fotones con energías más altas expulsarán electrones, mientras que los fotones con energías más bajas no lo harán.

La expulsión de electrones en los semiconductores es el resultado de la absorción de fotones por el material, que pasan su energía a los átomos de la estructura cristalina, que a su vez expulsan los electrones. El espacio vacío que deja el electrón se llama agujero y tiene propiedades de una partícula con carga positiva.

El efecto fotovoltaico fue observado por primera vez por el físico francés Alexandre Edmond Becquerel en 1839. En 1904, la física de este efecto fue descrita por Albert Einstein, que recibió el Premio Nobel por este logro. La primera célula solar fotovoltaica práctica, con una eficiencia del 6%, fue fabricada con silicio cristalino y producida por los laboratorios Bell en 1954.

Célula solar de unión P-n

Durante un experimento relacionado con las células húmedas, observó que las placas de plata expuestas a la luz solar provocaban un aumento del nivel de tensión.  En el año 1941, se desarrolló la primera célula solar de silicio monocristalino.

Desde los años 50, las células solares se utilizaron para alimentar los satélites en el espacio. La crisis del petróleo de los años 70 hizo que la atención recayera en las tecnologías solares, y la fotovoltaica ganó popularidad como fuente potencial de energía eléctrica para el sector residencial y comercial. Desde 2010, el precio de las células solares ha bajado rápidamente (~80%), el volumen de células solares producidas ha aumentado rápidamente y la eficiencia de las células disponibles en el mercado ha aumentado.

El silicio es el material más comúnmente utilizado en la fabricación de células solares; consta de cuatro electrones de valencia en la cáscara. Estos átomos de silicio crean un enlace covalente con su átomo de silicio más cercano, formando así una estructura reticular tetraédrica.

Fotovoltaica nasa

El corazón de una célula fotovoltaica es la interfaz entre dos tipos diferentes de semiconductores (llamados tipo p y tipo n). Cuando un fotón de luz con suficiente energía incide en un átomo de esta región, lanza un electrón. El electrón, ahora libre para moverse, viaja a través del semiconductor tipo n hasta los contactos metálicos de la superficie. El agujero dejado por la ausencia del electrón viaja en la dirección opuesta, a través del semiconductor de tipo p. Una vez en el contacto metálico, el electrón fluye por un circuito eléctrico, realizando trabajo en el proceso, para encontrarse con un agujero en el contacto posterior.

La energía necesaria para que un electrón pase del átomo semiconductor a un estado conductor es una cantidad discreta. La energía de un fotón de luz viene determinada por su longitud de onda, teniendo los fotones de menor longitud de onda mayor energía que los de mayor longitud de onda.

Un fotón con una longitud de onda de 1.100 nanómetros (nm), correspondiente a la luz infrarroja de onda corta, tiene la energía suficiente para promover un electrón en un átomo de silicio, el material semiconductor más utilizado.

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