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¿Qué es una célula fotovoltaica y cómo funciona?

marzo 17, 2022
¿Qué es una célula fotovoltaica y cómo funciona?

Principio de funcionamiento de la célula fotovoltaica pdf

Una célula solar está formada por dos tipos de semiconductores, denominados silicio de tipo p y de tipo n. El silicio de tipo p se produce añadiendo átomos -como el boro o el galio- que tienen un electrón menos en su nivel de energía exterior que el silicio.    Como el boro tiene un electrón menos del necesario para formar los enlaces con los átomos de silicio circundantes, se crea una vacante de electrones o «agujero».

El silicio de tipo n se fabrica incluyendo átomos que tienen un electrón más en su nivel externo que el silicio, como el fósforo. El fósforo tiene cinco electrones en su nivel de energía exterior, no cuatro. Se une a sus átomos vecinos de silicio, pero un electrón no participa en la unión. En cambio, es libre de moverse dentro de la estructura del silicio.

Una célula solar está formada por una capa de silicio de tipo p colocada junto a una capa de silicio de tipo n (Fig. 1). En la capa de tipo n, hay un exceso de electrones, y en la capa de tipo p, hay un exceso de huecos con carga positiva (que son vacantes debido a la falta de electrones de valencia). Cerca de la unión de las dos capas, los electrones de un lado de la unión (capa tipo n) se desplazan hacia los huecos del otro lado de la unión (capa tipo p). Esto crea un área alrededor de la unión, llamada zona de agotamiento, en la que los electrones llenan los huecos (Fig. 1, primer plano).

Cómo funcionan los paneles solares

Una célula fotovoltaica (FV) es una tecnología de captación de energía que convierte la energía solar en electricidad útil mediante un proceso denominado efecto fotovoltaico. Existen varios tipos de células fotovoltaicas que utilizan semiconductores para interactuar con los fotones del Sol y generar una corriente eléctrica.

Una célula fotovoltaica se compone de muchas capas de materiales, cada una de ellas con una finalidad específica. La capa más importante de una célula fotovoltaica es la capa semiconductora especialmente tratada. Se compone de dos capas distintas (tipo p y tipo n – véase la figura 3), y es la que realmente convierte la energía del Sol en electricidad útil a través de un proceso llamado efecto fotovoltaico (véase más adelante). A ambos lados del semiconductor hay una capa de material conductor que «recoge» la electricidad producida. Hay que tener en cuenta que la cara posterior o sombreada de la célula puede permitirse el lujo de estar completamente cubierta por el conductor, mientras que la cara frontal o iluminada debe utilizar los conductores con moderación para no bloquear demasiado la radiación solar que llega al semiconductor. La última capa, que se aplica sólo al lado iluminado de la célula, es el revestimiento antirreflectante. Dado que todos los semiconductores son naturalmente reflectantes, las pérdidas por reflexión pueden ser importantes. La solución es utilizar una o varias capas de un revestimiento antirreflectante (similar a los que se utilizan para las gafas y las cámaras) para reducir la cantidad de radiación solar que se refleja en la superficie de la célula[2].

De qué están hechos los paneles solares

Nuestro sol es un reactor nuclear natural. Libera pequeños paquetes de energía llamados fotones, que recorren los 149,6 millones de kilómetros que separan el sol de la Tierra en unos 8,5 minutos. Cada hora, suficientes fotones impactan en nuestro planeta para generar suficiente energía solar como para, en teoría, satisfacer las necesidades energéticas mundiales de todo un año.

La energía solar no genera electricidad todo el tiempo, pero sí cuando más se necesita. Esto incluye las horas del día y los periodos soleados y calurosos, cuando la demanda de electricidad es máxima.

Cuando los fotones golpean una célula solar, desprenden electrones de sus átomos. Si se conectan conductores a los lados positivo y negativo de una célula, se forma un circuito eléctrico. Cuando los electrones fluyen por ese circuito, generan electricidad. Un panel solar se compone de varias células, y varios paneles (módulos) pueden conectarse entre sí para formar un conjunto solar. Cuantos más paneles se puedan desplegar, más energía se puede esperar generar.

Los paneles solares fotovoltaicos (FV) están formados por muchas células solares en distintos tipos de envoltorios de vidrio. Las células solares están hechas de silicio, como los semiconductores. Están construidas con una capa positiva y una capa negativa, que juntas crean un campo eléctrico, como en una batería. Los paneles solares de SunPower también están recubiertos con adhesivos conductores de grado aeroespacial y encapsulantes patentados para proteger estas células y minimizar la degradación por la exposición al medio ambiente.

Fotovoltaica

El «efecto fotovoltaico» es el proceso físico básico mediante el cual una célula fotovoltaica convierte la luz solar en electricidad. La luz solar está compuesta por fotones, o partículas de energía solar. Estos fotones contienen diversas cantidades de energía correspondientes a las diferentes longitudes de onda del espectro solar.

Cuando los fotones inciden en una célula fotovoltaica, pueden ser reflejados o absorbidos, o pueden pasar directamente. Sólo los fotones absorbidos generan electricidad. Cuando esto ocurre, la energía del fotón se transfiere a un electrón en un átomo de la célula (que en realidad es un semiconductor).

Con su nueva energía, el electrón es capaz de escapar de su posición normal asociada a ese átomo para pasar a formar parte de la corriente de un circuito eléctrico. Al abandonar esta posición, el electrón provoca la formación de un «agujero». Las propiedades eléctricas especiales de la célula fotovoltaica -un campo eléctrico incorporado- proporcionan la tensión necesaria para conducir la corriente a través de una carga externa (como una bombilla).

Para inducir el campo eléctrico dentro de una célula fotovoltaica, se intercalan dos semiconductores distintos. Los tipos «p» y «n» de semiconductores corresponden a «positivo» y «negativo» por su abundancia de agujeros o electrones (los electrones adicionales hacen un tipo «n» porque un electrón tiene realmente una carga negativa).

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