FUNDAMENTOS FÍSICOS DE LAS CÉLULAS SOLARES

Fundamentos fisicos de las células solares
• Los materiales
Ciertos materiales de las celdas de energía solar, denominados semiconductores tienen sus electrones de valencia ligados a los átomos con energías muy semejantes a las de los fotones que constituyen la luz solar. Cuando ésta incide sobre el semiconductor sus fotones rompen los enlaces y los electrones de valencia quedan libres para circular por el semiconductor. Algo análogo ocurre también con el enlace roto, llamado “huecos”, que saltando de un átomo a otro puede también moverse con cierta libertad.
Estos electrones libres (negativos) y estos huecos (positivos), creados en los puntos donde hay iluminación, tienden a difundirse hacia las regiones oscuras y por lo tanto con menos densidad de ellos. Sin embargo, al moverse ambas partículas en el mismo sentido no dan lugar a corriente eléctrica, y antes o después se recombinan restableciendo el enlace roto. No obstante, si en algún lugar próximo a la región donde estas parejas de electrones y huecos han sido creados recombinan restableciendo el enlace roto. No obstante, si en algún lugar próximo a la región donde estas parejas de electrones y huecos han sido creados recombinan restableciendo el enlace roto. No obstante, si en algún lugar próximo a la región donde estas parejas de electrones y huecos han sido creadas, se crea un campo eléctrico en el interior del semiconductor, este campo separa a los electrones de los huecos, haciendo que cada uno circule en dirección opuesta y por consiguiente dando lugar a una corriente eléctrica neta en el sentido del citado campo eléctrico.
• Formas de crear un campo eléctrico en un sólido
Existen varios métodos para establecer un campo eléctrico en el interior de un sólido. Todos ellos están ligados al concepto de potencial de contacto que aparece cuando se unen dos materiales con distinta afinidad electrónica. Es natural que puedan existir, por tanto, infinidad de pares de materiales distintos capaces de proporcionar un potencial de contacto. Además, dado que es la diferente afinidad electrónica lo que determina la aparición del potencial de contacto, se podrá tener un campo eléctrico aún con un solo material con tal que dos regiones contiguas de una muestra hayan sido tratadas o contaminadas debidamente para tener distinta afinidad. Se dirá en éste último caso que se tiene una “homounión” y “heterounión”, en el caso de materiales diferentes. Cuando una heterounión está constituida por un metal y un semiconductor se llama barrera Schottky.
En las células solares convencionales, el campo eléctrico separador se logra en la zona de transición, o unión de dos regiones de un cristal de silicio que habían sido tratadas químicamente de manera desigual: una fue impurifica con fósforo (región n) y otra con boro (región p). Con ello aparecía un campo eléctrico dirigido de la zona “n” hacia la “p” que tiende a enviar a los elementos hacia la zona “n” y los huecos hacia la zona “p”. Todo esto se puede observar en la figura 4.
• Estructura de una célula solar
En la figura 4 puede apreciarse la constitución concreta de una célula solar de silicio convencional. Una barra cristalina de silicio, dopado con boro, se corta en discos de un espesor aproximado de 0,3 mm. Una de sus caras se dopa fuertemente con fósforo mediante difusión a alta temperatura desde una atmósfera gaseosa rica en fósforo, de manera que este elemento penetra en el silicio con mayor concentración que la del boro que este contenía hasta una profundidad de 0,3 micras aproximadamente. Encima de esta capa se deposita una rejilla metálica y en la parte posterior de la célula una capa continua. Ambas capas sirven para facilitar la toma de contactos eléctricos en ambas regiones.
• Modo de funcionamiento
Cuando la luz incide sobre la cara superior de la célula algunos enlaces son rotos, generándose pares electrón-hueco. Si esta generación se produce a una distancia de la unión menor de lo que se denomina longitud de difusión, en promedio, antes o después estos portadores serán separados por el fuerte campo eléctrico que existe en la unión, moviéndose el electrón hacia la zona n y el hueco hacia la zona p, dando lugar por consiguiente, a una corriente desde la zona n a la zona p. Si un electrón y un hueco se encuentran antes de atravesar la unión se recombinan, perdiéndose en forma de calor la energía luminosa que habían absorbido.
Uno de los factores que más limitan la eficaz conversión de energía luminosa en eléctrica es el que se deriva de la falta de adaptación entre la energía de los fotones del espectro solar y la energía necesaria para romper el enlace de un electrón en un material dado. Así los fotones con energía inferior a la necesaria para romper un enlace no serán absorbidos y se perderán. Los muy energéticos gastaran parte de su energía en romper el enlace de un electrón (es decir en crear un par electrón-hueco) y el resto en ceder energía cinética a ese hueco y electrón. La energía cinética se perderá rápidamente en forma de calor a causa de las colisiones de estos portadores con los átomos del material. La energía recuperable del par electrón-hueco generado será, como máximo, igual a la energía potencial debido al campo creado en la unión.
Dado que el espectro solar es bastante ancho y la mayor parte de los fotones tienen energías comprendidas entre los 3,1 eV y los 0,7 eV no es posible conseguir rendimientos muy altos con un solo material. La figura 6 muestra los máximos rendimientos obtenibles con distintos materiales semiconductores atendiendo a este efecto y suponiendo que no hay precombinación.
Los materiales con banda prohibida de 1,5 eV serian los mejores, visto el espectro solar. Pero dado que el rendimiento no depende sólo de eso, sino también de las tecnologías de fabricación del material y de la célula, una célula de silicio real es hoy más eficiente que una de CdTe.
• Rendimiento de conversión
El rendimiento de conversión, de una célula solar se define como:
El rendimiento teórico máximo alcanzable es del 95% habida cuenta de que el espectro solar proviene de un gas de fotones a 6000ºC que trabaja frente a una temperatura de 300ºC. Dicho valor es inalcanzable en la práctica si se emplea una célula de un solo material semiconductor. La radiación solar no es monocromática, sino que presenta una distribución espectral bastante amplia. En la superficie de la tierra se extiende aproximadamente desde el ultravioleta (3500 Å) hasta el infrarrojo próximo (2 m). La suma de las potencias correspondientes a cada una de esas frecuencias es lo que llamamos potencia solar incidente, Pin. Pero no todas las frecuencias son aprovechables por un determinado material fotovoltaico, porque éste es transparente por encima de una longitud de onda.
En los materiales muy absorbentes, la corriente generada es grande, pero la tensión de circuito abierto es baja, por serlo la banda prohibida del semiconductor. Solo dividiendo el espectro solar en varios bloques de frecuencia y poniendo una célula espectralmente adaptada en cada bloque puede superarse el límite del 25% que puede considerarse como barrera infranqueable para sistemas con una sola célula de banda prohibida constante.
• Efecto de la resistencia serie
Una célula solar ideal genera energía eléctrica que puede ser suministrada íntegramente a una carga. Una célula real, por el contrario, poseerá una cierta resistencia serie en la que se perderá parte de la potencia. La resistencia serie modifica la forma de la curva V-I de manera que Pmax resulta reducida respecto a la misma célula con Rs=0. La figura 7 muestra una curva para varios valores de Rs.
El efecto negativo de la resistencia serie se hace muy importante en células que reciben luz concentrada puesto que la potencia disipada en una resistencia vale I2R.
• Reflexión de la luz
Un elemento que afecta a la absorción de la luz por las células, aparte de las propiedades ópticas intrínsecas del material, es la reflexión en la superficie de la célula por causa de la discontinuidad del índice de refracción en la interfase.
El índice de refracción de los semiconductores es bastante elevado, de 3,5 a 4,5, lo cual produce una reflexión muy importante de la luz en la superficie. Con ello se reduce el rendimiento de la célula, puesto que solo se absorbe un 60%-70% de la luz incidente. Este problema se resuelve generalmente depositando capas delgadas antirreflexivas transparentes, con espesores ópticos del orden de un cuarto de la longitud de onda de la luz, que permiten fácilmente alcanzar absorciones del 90%.

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