Rendimiento de una célula solar

Rendimiento de una célula solar.

Objetivo.

Se medirá el rendimiento de una célula solar bajo diferentes condiciones de funcionamiento. También se estudiará cómo afectan las características de la luz incidente a ese rendimiento y a la característica corriente-tensión de la célula.

Fundamento teórico.

Una célula solar es un dispositivo capaz de convertir la energía proveniente de laradiación solar en energía eléctrica.
En un semiconductor los átomos ocupan posiciones fijas en una red. Los electrones más externos, denominados de valencia, se encuentran más débilmente ligados a los núcleos que el resto. Dentro del semiconductor, estos electrones ocupan orbitales compartidos por cada par de átomos, formando lo que se llama un enlace covalente. Cuando uno de estos electronesconsigue la suficiente energía como para romper el enlace, puede separarse del núcleo y moverse libremente por el semiconductor. En este caso, el electrón deja un "hueco" en el enlace covalente que puede ser ocupado por otro electrón de un núcleo vecino. Así, el material comienza a presentar una pequeña conductividad.

Una célula solar es, básicamente, una unión p-n. Este tipo de uniones se formanponiendo en contacto un semiconductor dopado con impurezas donadoras del grupo V de la Tabla Periódica con un semiconductor con impurezas aceptoras del grupo III de la Tabla Periódica. Las impurezas donadoras liberan electrones y por eso se denominan tipo n, pues en ellos los portadores mayoritarios son negativos. Las impurezas aceptoras roban electrones a los átomos del semiconductor y por eso sedenominan tipo p, pues los portadores mayoritarios son positivos.
En equilibrio (sin aplicar un voltaje externo), el nivel de Fermi EF es constante. Los átomos de impurezas ionizados, que no tienen posibilidad de moverse al formar parte de la red cristalina, crean una región de carga en la que se genera un campo eléctrico. La diferencia de potencial que aparece por efecto de este campo sedenomina barrera de potencial de la unión o potencial de difusión de la unión y se representa como UD.

En el silicio, la distancia entre el máximo de la Banda de Valencia y el mínimo de la Banda de Conducción corresponde con una energía E = 1,1 eV. La barrera de potencial típica para el silicio se sitúa entre UD = 0,5 V y UD = 0,7 V.
Cuando incide un haz de luz sobre la unión p-n, los fotones creanpares electrón-hueco que son separados en la zona de carga de espacio por efecto del campo, de modo que los huecos son inyectados en la zona p y los electrones en la zona n. Pero los fotones no sólo son absorbidos en la zona de la unión, sino también en el substrato p. Los electrones que se producen en este caso son portadores minoritarios en la zona p y su concentración se ve fuertementereducida por efecto de la recombinación. Por eso el substrato p debe ser lo suficientemente delgado como para que los electrones puedan ser inyectados en la zona n sin llegar a recombinarse.

Si denominamos g al número de pares electrón-hueco que se generan por unidad de área, y suponemos que se aplica sobre la unión una diferencia de potencial U la corriente que se genera sigue una ecuación de laforma:



Donde e es la carga del electrón en valor absoluto, kB es la constante de Boltzmann, T es la temperatura absoluta, L es la longitud de difusión de electrones y huecos, D es la constante de difusión de electrones y huecos, n0 y p0 son las concentraciones en equilibrio de minoritarios y t el espesor del substrato p. La corriente de cortocircuito (U = 0) toma entonces un valor: is = -eg.A medida que la temperatura aumenta, el potencial en el vacío disminuye, mientras que las concentraciones de equilibrio n0 y p0 aumentan con la temperatura siguiendo una fórmula del tipo:



Montaje experimental.

El montaje a realizar se muestra en la figura 1. En primer lugar, es necesario medir la intensidad luminosa que incide sobre una superficie. Utilizaremos un fotómetro sobre el...