Tecnología Fotovoltaica

Estimados  amigos y lectores de nuestro blog en esta oportunidad alcanzamos a la comunidad otro tema técnico pero base fundamental de la tecnología fotovoltaica, siendo la estrella el silicio. veamos:

Semiconductores. El Silicio (Si)

El silicio (Si), uno de los elementos con el que se fabrican las celdas, es un semiconductor. Los semiconductores tienen un comportamiento intermedio entre aislantes y metales. Al encontrarse en el grupo IV de la tabla periódica, indica que dispone de cuatro electrones que son compartidos con otros cuatro átomos de silicio por enlaces covalentes.

Estructura atómica del Silicio (14 electrones)

1s² 2s² 2p⁶ 3s² 3p²

El diagrama de la derecha no indica aproximadamente la posición de los electrones respecto de los átomos. Veamos ahora cuál es la situación desde el punto de vista de la energía que poseen.

Una de las características más importantes de los semiconductores es que sus electrones se encuentran dentro de rangos de energía denominados bandas. Los electrones menos ligados por los núcleos de silicio (los menos energéticos), se encuentran ocupando la banda de valencia  y los más ligados al núcleos de silicio se encuentran en la banda de valencia.

La mecánica cuántica predice que entre ambas bandas existe un rango de energías prohibidas que el electrón no puede tomar. Este rango de energías se conoce como ancho de banda prohibido band gap. Los aislantes también tienen zonas de energía prohibida para sus electrones, pero son de mayor magnitud que para los semiconductores. En los conductores no existe banda prohibida.

Si se aplica un una excitación externa a una muestra de silicio, como por ejemplo un rayo de luz, o calor, es posible que un electrón de la banda de valencia salte a la banda de conducción dejando un hueco en la banda de valencia. Este hueco se comporta como una carga positiva. El electrón excitado en la banda de conducción y el hueco que originó en la banda de valencia se conocen como par electrón-hueco. Si queremos generar estos pares de cargas iluminando el semiconductor es necesario que la energía del fotón de luz tenga una energía mayor o igual que Eg. Una ecuación práctica que vincula la longitud de onda y la energía del fotón es:

Por ejemplo, si un semiconductor tiene un band gap Eg = 2 eV, la longitud de onda de la radiación que puede producir un par electrón hueco debe ser menor que 512 nm.

¿Existe alguna manera de modificar el semiconductor, de modo que sus electrones y huecos tengan mayor facilidad de movimiento en el sólido?. La respuesta es afirmativa y ésta es una de las principales ventajas de los semiconductores. Consideremos el caso particular del silicio. Los electrones o huecos que se generan a partir de los enlaces covalentes, se denominan portadores intrínsecos, porque son propios de los átomos de silicio, además note que el número de electrones y huecos intrínsecos son iguales, porque se generan por pares. Si logramos introducir en la red de átomos de silicio, algunos átomos con un número de electrones en su última capa, diferente de cuatro, tendremos un exceso o déficit de los mismos, que al no estar ligado a ningún átomo en particular, pueden tener mas facilitad de ser transportados por el sólido. Esto se consigue dopando el silicio con átomos del grupo III o grupo V de la tabla periódica. Si se lo dopa con Sb (grupo V), queda un electrón débilmente ligado por cada átomo de Sb que se agregue. Se dice que el material es silicio dopado del tipo n. Si se introducen átomos de Al (grupo III) se quedan enlaces con ausencia de electrones, se dice que el material es silicio dopado tipo p. Esta nueva clase de cargas denominadas portadores, que pueden ser electrones o huecos, se las denominan extrínsecos porque son producto de introducir átomos ajenos al semiconductor inicial.

¿Cuál será la situación energética de estos portadores extrínsecos?. En un semiconductor dopado tipo n, el electrón intrínseco tiene una energía muy cercana al mínimo de la banda de conducción, de manera que con una energía de excitación, muy pequeña puede llevarla a la zona de conducción. En los siguientes gráficos elaborados en la Univ. de Oviedo, se muestra el caso del Germanio (grupo IV) dopado con Sb (grupo V) y con Al (grupo III). En el primer caso, la línea roja horizontal cercana a la banda de conducción, representa el nivel de energía de los electrones en exceso introducidos por el Sb. Observe que este nivel de energía está tan cerca de la banda de conducción que basta una energía de 0,039 eV para saltar a la banda de conducción y aumentar la conductividad del semiconductor. Este valor de energía se alcanza a la temperatura ambiente, es decir aprox. a 300 K.

La Unión P - N

Por lo visto anteriormente, sabemos que un semiconductor extrínseco tipo p, tiene un exceso de huecos y uno tipo n, un exceso de electrones. Analicemos lo que ocurre cuando estos dos tipos de semiconductores dopados se ponen en contacto. El semiconductor tipo n tiene abundancia de electrones, por lo tanto éstos se difunden a la zona de menos concentración de electrones, es decir hacia el semiconductor del tipo p. Los huecos que abundan en el semiconductor tipo p, se difunden hacia el semiconductor tipo n. Estos desplazamientos de carga generan un campo eléctrico en la unión que evita que el proceso continúe indefinidamente.

Cuando la luz incide sobre una unión p-n, los fotones liberan electrones de las bandas de valencia y conducción comportándose instantáneamente como dos cargas libres, una positiva y otra negativa. Aquí es donde juega un papel fundamental el campo eléctrico formado en la unión, porque tiende a separar el par de cargas generadas. Si la unión está conectada a un circuito externo, estas cargas se dirigen por el circuito generando una corriente. Esta unión p-n (con algunas adiciones) constituye una celda  o célula fotovoltáica.

La celda fotovoltáica

Si representamos por G a la irradiancia (W/m²) con que se ilumina la unión p-n, observamos que si se ilumina la muestra y se mantiene los conductores sin conexión, los pares electrón-hueco generados se recombinan internamente pero establecen un potencial entre los conductores conocido como voltaje de circuito abierto V_OC (open circuit). Si entre los conductores se conecta una resistencia (carga) se establecerá una corriente, tal como se muestra en el siguiente gráfico.

Es importante resaltar que no todas las frecuencias de radiación contenidas en el espectro solar puede producir los pares electrón-hueco. Como discutimos antes, sólo los fotones con suficiente energía podrán producir la fotocorriente.

Otro parámetro muy importante que caracteriza la celda es la fotocorriente que circula por el circuito externo cuando los conductores se cortocircuitan (R=0). Esta corriente se conoce como corriente de corto circuito I_SC. (short circuit).

Curvas corriente-voltaje de una celda 

Para caracterizar eléctricamente una celda solar, se debe obtener sus curvas corriente-voltaje, I-V. Para poder comparar características de diferentes celdas, las mediciones se deben hacer con valores definidos de irradiancia G, y temperatura T_C. Estos valores se muestran en la figura a continuación. Los valores usados y obtenidos bajo estas condiciones son denotadas agregando un asterisco al símbolo convencional.

Eficiencia de conversión o rendimiento (h).

La eficiencia de conversión es una de las características técnicas más importantes de una celda solar. Las definiciones para obtener este valor se indican en el siguiente gráfico.

Fuentes: CER- UNI

               Universidad Oviedo