Ing. Mecatronico

Principio de funcionamiento de la fotocelda eléctrica

En un semiconductor expuesto a la luz, un fotón de energía arranca un electrón, creando al pasar un «hueco». Normalmente, el electrón encuentra rápidamente un hueco para volver a llenarlo, y la energía proporcionada por el fotón, pues, se disipa.

El principio de una célula fotovoltaica es obligar a los electrones y a los huecos a avanzarhacia el lado opuesto del material en lugar de simplemente recombinarse en él: así, se producirá una diferencia de potencial y por lo tanto tensión entre las dos partes del material, como ocurre en una pila. Para ello, se crea un campo eléctrico permanente, a través de una unión pn, entre dos capas dopadas respectivamente, p y n:

La capa superior de la celda se compone de silicio dopado detipo n.
En esta capa, hay un número de electrones libres mayor que una capa de silicio puro, de ahí el nombre del dopaje n, como carga negativa (electrones). El material permanece eléctricamente neutro: es la red cristalina quien tiene globalmente una carga negativa.

La capa inferior de la celda se compone de silicio dopado de tipo p. Esta capa tiene por lo tanto una cantidad media de electroneslibres menor que una capa de silicio puro, los electrones están ligados a la red cristalina que, en consecuencia, está cargada positivamente. La conducción eléctrica está asegurada por los huecos, positivos (p).
Usos

Las células fotovoltaicas o fotoeléctricas se utilizan a veces solas (iluminación de jardín, calculadoras, ...) o agrupadas en paneles solares fotovoltaicos. Se utilizan parareemplazar a las baterías (cuya energía es con mucho la más cara para el usuario), las células han invadido las calculadoras, relojes, aparatos, etc.

Es posible aumentar su rango de utilización almacenándola mediante un ( condensador o pilas). Cuando se utiliza con un dispositivo para almacenar energía, es necesario colocar un diodo en serie para evitar la descarga del sistema durante la noche. Seutilizan para producir electricidad para muchas aplicaciones (satélites, parquímetros, ...), y para la alimentación de los hogares o en una red pública en el caso de una central solar fotovoltaica.

Zona de Carga de Espacio

En el momento de la creación de la unión pn, los electrones libres de la capa n entran en la capa p y se recombinan con los huecos en la región p.

Existirá así durantetoda la vida de la unión, una carga positiva en la región n a lo largo de la unión (porque faltan electrones) y una carga negativa en la región en p a lo largo de la unión (porque los huecos han desaparecido); el conjunto forma la “Zona de Carga de Espacio” (ZCE) y existe un campo eléctrico entre las dos, de n hacia p.

Este campo eléctrico hace de la ZCE un diodo, que solo permite el flujo decorriente en una dirección: los electrones pueden moverse de la región p a la n, pero no en la dirección opuesta y por el contrario los huecos no pasan más que de n hacia p.

En funcionamiento, cuando un fotón arranca un electrón a la matriz, creando un electrón libre y un hueco, bajo el efecto de este campo eléctrico cada uno va en dirección opuesta: los electrones se acumulan en la región n(para convertirse en polo negativo), mientras que los huecos se acumulan en la región dopada p (que se convierte en el polo positivo).


Este fenómeno es más eficaz en la (ZCE), donde casi no hay portadores de carga (electrones o huecos), ya que son anulados, o en la cercanía inmediata a la (ZCE): cuando un fotón crea un par electrón-hueco, se separaron y es improbable que encuentren a su opuesto,pero si la creación tiene lugar en un sitio más alejado de la unión, el electrón (convertido en hueco) mantiene una gran oportunidad para recombinarse antes de llegar a la zona n (resp. la zona p). Pero la ZCE es necesariamente muy delgada, así que no es útil dar un gran espesor a la célula.

En suma, una célula fotovoltaica es el equivalente de un Generador de Energía a la que hemos añadido...