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Fisica de la celula fotovoltaica . La conversión directa de la energía solar en energía eléctrica, realizada con la célula fotovoltaica, utiliza el fenómeno físico, denominado efecto fotovoltaico, de la interacción de la radiación luminosa con los electrones de valencia en los medios semiconductores. Cualquiera que sea el material utilizado, el mecanismo con el que la célula transforma la luzsolar en energía eléctrica es esencialmente lo mismo. Para mayor simplicidad, tomemos en consideración el caso de una célula fotovoltaica convencional de silicio cristalino.
Normalmente el átomo de silicio posee catorce electrones, siendo cuatro de ellos electrones de valencia, que por lo tanto pueden participar a las interacciones con otros átomos, tanto de silicio como de otros elementos. Dosátomos adyacentes de un cristal de silicio puro tienen en común un par de electrones, uno de los que pertenece al átomo considerado, mientras que el otro pertenece al átomo cercano.
Hay, pues, un fuerte enlace electrostático entre un electrón y los dos átomos que contribuye a mantener unidos. Ese enlace puede ser separado por una cierta cantidad de energía: si la energía suministrada es suficiente,el electrón es llevado a un nivel energético superior (banda de conducción), donde es libre de desplazarse, contribuyendo así al flujo de electricidad. Cuando pasa a la banda de conducción, el electrón deja detrás de sí un "hueco", es decir un vacío donde falta un electrón. Un electrón cercano puede llenar fácilmente el hueco, intercambiándose así de lugar con éste.
Para aprovechar la electricidades necesario crear un movimiento coherente de electrones (y de huecos), es decir una corriente, mediante un campo eléctrico dentro de la célula. El campo se realiza con particulares tratamientos físicos y químicos, creando un exceso de átomos cargados positivamente en una parte del semiconductor, y un exceso de átomos cargados negativamente en el otro. Prácticamente se obtiene esta condiciónintroduciendo pequeñas cantidades de átomos de boro (cargados positivamente) y de fósforo (cargados negativamente) en la estructura cristalina del silicio, es decir dopando el semiconductor.
La atracción electrostática entre las dos especies atómicas crea un campo eléctrico fijo que da a la célula la estructura llamada "de diodo", en el que el paso de corriente, constituida por portadores de cargalibres, por ejemplo electrones, está obstaculizado en una dirección y facilitado en la contraria. La explicación de este fenómeno puede ser ejemplificada como sigue.
En la capa dopada con fósforo, que tiene cinco electrones exteriores o de valencia contra los cuatro de silicio, está presente una carga negativa débilmente combinada, formada por un electrón, llamado "de valencia", para cada átomo defósforo.
De la misma manera, en la capa dopada con boro, que tiene tres electrones exteriores, se determina una carga positiva en exceso, formada por los huecos presentes en los átomos de boro cuando se combinan con el silicio.
La primera capa, de carga negativa, se indica con N, la otra, de carga positiva, con P, la zona de separación se llama unión P-N.
Al acercar las dos capas se activa unflujo electrónico desde la zona N hasta la zona P que, conseguido el punto de equilibrio electrostático, determina un exceso de carga positiva en la zona N, debido a los átomos de fósforo con un electrón de menos, y un exceso de carga negativa en la zona P, debido a los electrones provenientes de la zona N. El resultado es un campo eléctrico interno al dispositivo que separa los electrones enexceso generados por la absorción de la luz por parte de los huecos correspondientes, empujándolos hacia direcciones opuestas (los electrones hacia la zona N y los huecos hacia la zona P) de manera que un circuito exterior pueda recoger la corriente así generada.
Es importante que el campo "incorporado" esté situado lo más próximo posible a la región del dispositivo que absorbe la luz. Los fotones...