Energia solar fotovoltaica

Marco teórico

1. Efecto fotovoltaico
La conversión directa de la energía solar en energía eléctrica se debe al fenómeno físico de la interacción de la radiación luminosa con los electrones en los materiales semiconductores, fenómeno conocido como efecto fotovoltaico. El objeto físico en el que este fenómeno tiene lugar es la célula solar, que no es otra cosa que un diodo con la característicaesencial de tener una superficie muy amplia (unas decenas de cm2).
El silicio tiene 14 electrones de los que 4 son de valencia, lo que quiere decir que están disponibles para unirse con electrones de valencia de otros átomos. En un cristal de silicio químicamente puro, cada átomo está unido de forma covalente con otros 4 átomos así que dentro del cristal no hay, como consecuencia del enlacequímico, electrones libres.
Algunos átomos de silicio en cristal se sustituyen con átomos de fósforo, elemento que tiene 5 electrones de valencia: 4 serán utilizados para enlaces químicos con átomos adyacentes de silicio, mientras que el quinto puede ser separado del átomo de fósforo mediante energía térmica y así tener libertad de movimiento en el retículo del cristal.
De forma análoga, si la sustituciónse realiza con átomos de boro, que sólo tiene 3 electrones de valencia, faltará un electrón para completar los enlaces químicos con los átomos adyacentes de silicio. Este electrón que falta actúa como si fuera un electrón ‘positivo’ y se llama hueco.
En el enlace con fósforo, por tanto, los portadores de carga libres son negativos y el material es llamado de tipo n, mientras en la sustitución deátomos de silicio con átomos de boro, los portadores de carga son positivos y el material es llamado de tipo p.
La unión p-n (diodo) se realiza uniendo una barra de material de tipo n con una barra de material de tipo p.
Los electrones libres en el material ‘n’ verán a la izquierda una región en la que no existen electrones libres y, por tanto, habrá un flujo de estos portadores hacia la izquierdaen el intento de restablecer el equilibrio. De forma análoga, los huecos verán a su derecha una región en la que no hay huecos y habrá, por tanto, un flujo de cargas positivas hacia la derecha. Con el avance de este proceso de difusión, en el lado izquierdo se tendrá un exceso de cargas negativas mientras en el lado derecho habrá un exceso de cargas positivas.
Por consiguiente, en la región deunión de los dos materiales se ha creado un campo eléctrico que se hace cada vez más grande a medida que los huecos y los electrones continúan difundiéndose hacia lados opuestos. El proceso continúa hasta que el potencial eléctrico alcanza un tamaño que impide la posterior difusión de electrones y huecos.
Cuando se alcanza este equilibrio se habrá creado un campo eléctrico permanente en un materialsin la ayuda de campos eléctricos externos.
De hecho, hay que suponer que un fotón (partícula que constituye un rayo solar) entre en la región de tipo p del material. Si el fotón tiene una energía mayor que la ‘band gap’ -energía mínima necesaria para romper un enlace del retículo del silicio- será absorbido y creará una pareja electrón-hueco. El electrón liberado se moverá hacia la derecha a causadel potencial eléctrico.
En cambio, si un fotón entra en la zona n, el hueco creado se moverá hacia la izquierda. Este flujo producirá una acumulación de cargas positivas en la izquierda y de cargas negativas en la derecha, dando origen a un campo eléctrico opuesto al creado por el mecanismo de difusión. Cuantos más fotones llegan a la unión, tanto más los campos tienden a anularse el uno con elotro, hasta llegar al punto en el que ya no haya un campo interno que separe cada pareja electrón-hueco.
Esta es la condición que determina la tensión a circuito abierto de la célula fotovoltaica. Finalmente, poniendo unos electrodos (contactos metálicos) sobre la superficie de la célula se puede utilizar el potencial creado.
2. Tecnología fotovoltaica
La conversión de la radiación solar en...