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ENCICLOPEDIA DE RADIOELECTRÓNICA E INGENIERÍA ELÉCTRICA El principio de funcionamiento de las células solares. Enciclopedia de radioelectrónica e ingeniería eléctrica.
Enciclopedia de radioelectrónica e ingeniería eléctrica. / Fuentes alternativas de energía Aunque muchos de nosotros no lo sabemos, el método de generar electricidad a partir de la luz solar se conoce desde hace más de 100 años. El fenómeno de la fotoelectricidad fue observado por primera vez por Edmond Becquerel en 1839. En uno de sus muchos experimentos con la electricidad, colocó dos placas de metal en una solución conductora e iluminó la instalación con luz solar. Para su gran asombro, descubrió que esto producía fuerza electromotriz (EMF). Este descubrimiento accidental pasó desapercibido hasta 1873, cuando Willoughby Smith descubrió un efecto similar al irradiar con luz una placa de selenio. Y aunque sus primeros experimentos fueron imperfectos, marcaron el comienzo de la historia de las células solares semiconductoras. En busca de nuevas fuentes de energía, los Laboratorios Bell inventaron la célula solar de silicio, que se convirtió en la precursora de los convertidores fotovoltaicos modernos. Sólo a principios de los años 50. La célula solar ha alcanzado un grado relativamente alto de perfección. Fundamentos de la teoría de los semiconductores. El principal material semiconductor en la electrónica moderna es el silicio. La mayoría de las células solares modernas también están hechas de silicio. Un semiconductor es una sustancia que no es ni buen conductor ni buen aislante. Por ejemplo, el cobre es un excelente conductor, su ámbito de aplicación es muy amplio. Siempre que sea necesario transferir energía eléctrica de un lugar a otro, el cobre es un asistente indispensable. Lo mismo puede decirse del aluminio. Por otro lado, el vidrio tiene una conductividad eléctrica insignificante, pero es un buen dieléctrico. Si necesita bloquear el paso de la corriente eléctrica, un aislante de vidrio resolverá con éxito este problema. Por cierto, los aislantes polares de los primeros teléfonos estaban hechos de vidrio.
La conductividad eléctrica de los semiconductores se encuentra entre estos dos casos límite. En algunas aplicaciones, los semiconductores pueden servir como conductores, en otras, como aislantes. Sin embargo, el silicio puro está aún más cerca de los aislantes y conduce muy mal la electricidad. La razón de esto se explica por la peculiaridad de su estructura cristalina. Los átomos de silicio están conectados entre sí mediante los llamados electrones de valencia. Es mejor pensar en estas conexiones como "manos". Cada átomo de silicio tiene cuatro "brazos". Los átomos de silicio son muy "sociables", no les gusta la soledad. Por lo tanto, intentan tomar de la mano los átomos que los rodean. Como cada átomo tiene cuatro “manos” con las que agarra las “manos” de sus vecinos, juntas forman la red que se muestra en la figura. 1. Como resultado, las cuatro “manos” del átomo están ocupadas. En consecuencia, en tal estructura no hay electrones libres ("manos"), y sin electrones libres la corriente eléctrica es casi imposible. Para las necesidades de la electrónica, esta situación es inaceptable. Para que la corriente fluya, el cristal debe tener electrones libres. Esto se logra introduciendo impurezas en el material de partida. Este proceso se llama aleación. dopaje de semiconductores Supongamos que tomamos y reemplazamos un átomo de silicio en nuestra estructura cristalina con un átomo que tiene una valencia de cinco (en otras palabras, que tiene cinco "brazos". Por ejemplo, dicho átomo es un átomo de boro. Encontrarnos entre nuestros "nuevos vecinos" y llevándolos "de la mano", este átomo pronto descubrirá que una "mano" está libre (el autor se equivoca: como donante se utilizan átomos de fósforo, que tienen una valencia de cinco (fuente de electrones libres). ), y como aceptores, que permiten la introducción en el cristal de silicio que tiene cargas positivas (huecos), se utilizan átomos de boro, que se caracterizan por una valencia de tres. - Ed.)
Esta “mano”, no conectada a nadie, no es más que un electrón libre. Dado que el átomo de boro está más o menos satisfecho de que cuatro de sus cinco "brazos" (los electrones) estén ocupados, no le preocupa especialmente el destino del quinto. A la más mínima perturbación, el electrón se "romperá". Ésta es la esencia del dopaje. Cuantas más impurezas introduzcamos en el cristal, más electrones libres tendrá y mejor conducirá el silicio la corriente eléctrica. En el dopaje también puede ocurrir el proceso inverso. Si el átomo de silicio se reemplaza por un átomo trivalente, como el fósforo, aparecerá un llamado agujero en nuestra estructura. En consecuencia, faltan electrones en el cristal y éste los aceptará fácilmente en su red. Debido al hecho de que los átomos en dicha estructura intentan capturar electrones, los agujeros resultantes se moverán alrededor de la estructura que carece de electrones. En realidad, los electrones se mueven de un agujero a otro y, por tanto, conducen la corriente eléctrica. fabricación de celdas solares Ahora se podría pensar que si se toma un cristal de silicio dopado con falta de electrones y un cristal de silicio dopado con exceso de electrones y los junta, algo debería suceder.
Con un estrecho contacto mecánico entre dos cristales, los átomos en las regiones cercanas a la superficie se acercan tanto que los átomos de fósforo ceden fácilmente sus electrones adicionales y los átomos de boro los aceptan fácilmente. Como resultado, se restablece el equilibrio eléctrico del cristal. Pero recuerde que los cristales tienen una estructura muy rígida, por lo que el intercambio sólo se producirá entre átomos que estén en estrecho contacto entre sí. El espesor de la zona de este contacto no supera el tamaño de varios átomos y el volumen del semiconductor permanece sin cambios. Por supuesto, conseguir este efecto requiere algo más que simplemente unir dos piezas de silicio. Muy a menudo, el silicio se dopa mediante un proceso de difusión a alta temperatura. Como resultado, en el límite entre las regiones profundas del semiconductor dopado con diferentes impurezas, se forma una región de interfaz ultrafina llamada unión pn. Es dentro de esta región donde tiene lugar la conversión de la luz en electricidad. Cuando una partícula de luz, llamada fotón, golpea una unión pn con suficiente energía, elimina un electrón, dejándolo libre para moverse. La energía del fotón se transfiere al electrón. En este caso, se forma un agujero en la red cristalina. Hay que tener en cuenta que la región de transición tiende a mantener el equilibrio. Este proceso, llamado fotoionización, ocurre no solo en la región de la unión pn, sino también en cualquier otra parte del cristal en la que penetra la luz solar, que tiene una energía suficientemente alta necesaria para crear portadores de carga libres: electrones y huecos. Debido a que hay escasez de huecos en un material tipo n y escasez de electrones en un material tipo p, el hueco y el electrón se separan y migran en diferentes direcciones. Pero ahora el equilibrio está roto. Un electrón que ha recibido la energía de un fotón se esfuerza por volver a conectarse con su antípoda (agujero) y está dispuesto a gastar su energía en ello. Desafortunadamente, la unión pn representa una barrera potencial que el electrón no puede superar. Sin embargo, si conectamos regiones con ejes conductores de tipo p y n entre sí con un conductor, entonces este obstáculo se superará con éxito y el electrón "se abrirá camino" hacia su agujero a través de la "puerta trasera". En este caso, el electrón gasta su energía en el camino que utilizamos. Características de la celda solar La unión pn representa una barrera impresionante al movimiento de electrones. Pero no se puede decir que sea insuperable. La energía que un electrón recibe de un fotón no suele ser suficiente para superar esta barrera y conectarse con un agujero, pero no siempre es así.
La altura de la barrera potencial de la unión pn es de aproximadamente 600 mV (0,6 V). Los electrones con una energía superior a 600 mV pueden "subir" a esta pared y ser absorbidos. Por tanto, el voltaje máximo que puede desarrollar una célula solar es de 600 mV. Sin embargo, el valor real depende del tipo de material semiconductor y del diseño de la célula solar.
Conectar una carga a una célula solar reduce la energía de algunos electrones, incluidos los más energéticos. Como resultado, se reduce el voltaje total de la célula solar y el número de electrones capaces de superar la barrera de la unión pn. A medida que aumenta la resistencia de la carga, se "bombearán" cada vez más electrones a través de ella y el voltaje disminuirá aún más. Sin embargo, en algún momento sucede algo extraño. A 450 mV (0,45 V), la corriente (flujo de electrones) deja de aumentar aunque el voltaje continúa disminuyendo. Se alcanza una “meseta” actual. Este fenómeno se debe al número finito de fotones que inciden en la unión pn. Se sabe que cuantos más fotones llegan a la unión pn, más electrones se liberan. Más fotones, más corriente. Sin embargo, llega un momento en el que literalmente se utiliza cada fotón que entra en la unión pn y se utiliza el número de electrones libres y, por tanto, la corriente ya no aumenta. Esto corresponde a la aparición de una “meseta” en la característica de la célula solar. Por supuesto, el número de electrones libres también depende de la superficie y de la intensidad de la luz. Evidentemente, a medida que aumenta el área del elemento, se capturan más fotones y aumenta la corriente. De manera similar, a medida que aumenta la intensidad de la luz, aumenta la concentración de fotones en un área determinada, lo que también aumenta la corriente. Eficiencia de las celdas solares Normalmente, la intensidad media de la luz solar que llega a la superficie terrestre se considera de 100 mW/cm2. En otras palabras, una célula solar de 10x10 cm2 debería generar teóricamente 10 W de potencia. Desgraciadamente, ninguna célula solar puede ni siquiera podrá generar tal energía: siempre habrá pérdidas. La mayor eficiencia (eficiencia) lograda hasta ahora (e incluso con fotocélulas en cascada en un laboratorio experimental) es de aproximadamente el 30%. La eficiencia de una célula solar de silicio convencional oscila entre el 10 y el 13%. Un elemento con una superficie de 100 cm2 puede generar aproximadamente 1 W de potencia. Por supuesto, la eficiencia de una célula solar depende de muchos factores, entre los cuales el más importante es el cambio de temperatura ambiente. A medida que aumenta la temperatura, la red cristalina se excita y sus átomos vibran más intensamente. Esto a su vez conduce a un aumento en el nivel de energía de los electrones dentro de la estructura. Con el tiempo, cuando el nivel de energía de los electrones aumenta tanto que la mayoría de ellos pueden superar la barrera potencial de la unión pn, la recombinación en el semiconductor aumenta considerablemente. Esto da como resultado que lleguen menos electrones a los colectores de la red y se reduzca la corriente eléctrica a la carga. Por otro lado, las bajas temperaturas potencian el efecto fotoeléctrico. La principal razón de la disminución de la eficiencia de las células solares al aumentar la temperatura es la disminución de la barrera de potencial de la unión pn, lo que conduce a una caída del voltaje generado por el elemento. Autor: Byers T.
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