Aplicaciones del Efecto Fotovoltaico
En la mayoría de las aplicaciones fotovoltaicas, la radiación proviene del sol, y los dispositivos se conocen como células solares. Actualmente, la energía solar representa una de las fuentes de energía más accesibles en el mercado. Esta puede suministrar electricidad a lugares sin conexión a la red eléctrica. Las fuentes de energía renovable están ganando popularidad debido a la disminución en los costos de los módulos fotovoltaicos (PV) en los últimos cinco años y, en comparación con otras fuentes de energía, generan baja contaminación.
Fundamentos de las Células Solares
Las células solares están hechas de materiales semiconductores. Una célula PV genera corriente continua (DC) a partir de estos semiconductores cuando son irradiados por fotones. Una célula solar de silicio de unión simple común puede producir un voltaje máximo en circuito abierto de aproximadamente 0.5 a 0.6 voltios. Las células solares se suelen conectar en serie para crear un voltaje aditivo, y su conexión en paralelo produce una corriente mayor. Varios paneles solares fotovoltaicos integrados y orientados en un mismo plano constituyen un módulo o panel solar fotovoltaico. El voltaje en circuito abierto típico de un panel solar de 300 vatios debería ser alrededor de 39 voltios, y la corriente de cortocircuito debería ser de 8.33 amperios en un ángulo perfecto y bajo luz solar directa. Su vida útil puede alcanzar los 20-30 años.
Efecto Fotovoltaico
El efecto fotovoltaico es un proceso fotoeléctrico que genera voltaje o corriente eléctrica en una célula fotovoltaica cuando se expone a la luz solar. En un dispositivo fotovoltaico, los fotones se convierten en electricidad. El proceso implica la generación de portadores de carga por absorción de fotones, su separación y transporte, y finalmente su recolección en los electrodos.
Absorción de Fotones
Primero, los fotones del sol impactan el panel solar y son absorbidos por materiales semiconductores. Su energía se transfiere a un electrón en la red cristalina. Si la energía es superior a la energía de enlace del electrón, este se libera del enlace al la banda de conducción, donde puede moverse libremente dentro del semiconductor, generando pares electrón-hueco.
Separación de Portadores de Carga
La célula solar más conocida está configurada como una unión p-n de gran área (estructura semiconductor con campo eléctrico incorporado) hecha de silicio. Como simplificación, se puede imaginar la unión directa de una capa de silicio tipo n con una capa de silicio tipo p. Debido a la configuración de la unión p-n y los materiales de las células solares, los electrones solo pueden moverse en una dirección. La estructura electrónica de los materiales es muy importante para que el proceso funcione, y a menudo se usa silicio incorporando pequeñas cantidades de boro o fósforo en diferentes capas. El campo empuja al electrón hacia el lado n y el hueco hacia el lado p.
Recolección y Recombinación de Carga
Los electrones que se crean en el lado tipo n, «recolectados» por la unión y arrastrados hacia el lado tipo n, pueden viajar a través del cable, alimentar la carga y continuar a través del cable hasta que alcanzan el contacto semiconductor-metal tipo p. Aquí, se recombinan con un hueco que se creó como un par electrón-hueco en el lado tipo p de la célula solar, o un hueco que fue arrastrado a través de la unión desde el lado tipo n después de ser creado allí. Un conjunto de células solares convierte la energía solar en una cantidad utilizable de electricidad de corriente continua (DC). El voltaje medido es igual a la diferencia en los niveles cuasi Fermi de los portadores mayoritarios (electrones en la parte tipo n y huecos en la parte tipo p) en los dos terminales.
