Sistema Solar FV I

Funcionamiento Básico de una Celda Solar

Las células solares convierten la energía lumínica en energía eléctrica, ya sea indirectamente convirtiéndola primero en calor, o mediante un proceso directo conocido como efecto fotovoltaico . Los tipos más comunes de células solares se basan en el efecto fotovoltaico, que ocurre cuando la luz que incide sobre un material semiconductor de dos capas produce una diferencia de potencial, o voltaje, entre las dos capas. El voltaje producido en la celda es capaz de conducir una corriente a través de un circuito eléctrico externo que se puede utilizar para alimentar dispositivos eléctricos. Este tutorial explora los conceptos básicos detrás del funcionamiento de las células solares.

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El tutorial se inicializa a un nivel de intensidad de fotones "medio" establecido arbitrariamente, con fotones que impactan aleatoriamente la superficie de la celda solar para generar electrones libres. Los electrones liberados completan un circuito simple que contiene dos bombillas que se iluminan cuando fluye la corriente. Para aumentar o disminuir el flujo de fotones, use el control deslizante de intensidad de fotones para ajustar el número de fotones incidentes en la superficie.

Hoy en día, las células fotovoltaicas más comunes emplean varias capas de silicio dopado, el mismo material semiconductor que se utiliza para fabricar chips de computadora. Su función depende del movimiento de entidades portadoras de carga entre sucesivas capas de silicio. En el silicio puro, cuando se agrega suficiente energía (por ejemplo, por calentamiento), algunos electrones en los átomos de silicio pueden liberarse de sus enlaces en el cristal, dejando un agujero.en la estructura electrónica de un átomo. Estos electrones liberados se mueven aleatoriamente a través del material sólido en busca de otro agujero con el que combinarse y liberar su exceso de energía. Al funcionar como portadores libres, los electrones son capaces de producir una corriente eléctrica, aunque en el silicio puro hay tan pocos que los niveles de corriente serían insignificantes. Sin embargo, el silicio se puede modificar agregando impurezas específicas que aumentarán el número de electrones libres ( n -silicio) o el número de huecos (electrones faltantes; también conocido como p-silicio). Debido a que tanto los huecos como los electrones son móviles dentro de la red cristalina de silicio fijo, pueden combinarse para neutralizarse entre sí bajo la influencia de un potencial eléctrico. El silicio que se ha dopado de esta manera tiene suficiente fotosensibilidad para ser útil en aplicaciones fotovoltaicas.

En una celda fotovoltaica típica, dos capas de semiconductor de silicio dopado están unidas estrechamente (ilustradas en la Figura 1). Una capa se modifica para que tenga un exceso de electrones libres (denominada capa n ), mientras que la otra capa se trata para que tenga un exceso de huecos o vacantes de electrones (una capa p ). Cuando las dos capas de semiconductores diferentes se unen en un límite común, los electrones libres en la capa n se cruzan en la capa p en un intento de llenar los huecos de electrones. La combinación de electrones y huecos en la unión pn crea una barrera que dificulta cada vez más el cruce de electrones adicionales. Cuando el desequilibrio eléctrico alcanza una condición de equilibrio, se produce un campo eléctrico fijo a través del límite que separa los dos lados.

Cuando la luz de una longitud de onda (y energía) apropiada incide en la celda en capas y es absorbida, los electrones se liberan para viajar al azar. Los electrones cercanos al límite (la unión pn) pueden ser barridos a través de la unión por el campo fijo. Debido a que los electrones pueden cruzar fácilmente el límite, pero no pueden regresar en la otra dirección (contra el gradiente de campo), se produce un desequilibrio de carga entre las dos regiones semiconductoras. Los electrones que son arrastrados hacia la capa n por los efectos localizados del campo fijo tienen una tendencia natural a abandonar la capa para corregir el desequilibrio de carga. Con este fin, los electrones seguirán otro camino si hay alguno disponible. Al proporcionar un circuito externo mediante el cual los electrones pueden regresar a la otra capa, se produce un flujo de corriente que continuará mientras la luz incida en la celda solar. En la construcción de una celda fotovoltaica, las capas de contacto de metal se aplican a las caras externas de las dos capas de semiconductores y proporcionan una ruta al circuito externo que conecta las dos capas. El resultado final es la producción de energía eléctrica derivada directamente de la energía de la luz.

El voltaje producido por las células solares varía con la longitud de onda de la luz incidente, pero las células típicas están diseñadas para utilizar el amplio espectro de luz del día que proporciona el sol. La cantidad de energía producida por la célula depende de la longitud de onda y las longitudes de onda más largas generan menos electricidad que las longitudes de onda más cortas. Debido a que las celdas comúnmente disponibles producen solo tanto voltaje como la batería de una linterna, cientos o incluso miles deben acoplarse para producir suficiente electricidad para aplicaciones exigentes. Se han construido y operado con éxito varios automóviles que funcionan con energía solar a velocidades de autopista mediante el uso de una gran cantidad de células solares. En 1981, un avión conocido como Solar Challenger, que estaba cubierto con 16.000 células solares que producían más de 3.000 vatios de potencia, atravesó el Canal de la Mancha con energía solar únicamente. Hazañas como estas inspiran interés en expandir los usos de la energía solar. Sin embargo, el uso de células solares está todavía en su infancia, y estas fuentes de energía todavía están restringidas en gran medida a alimentar dispositivos de baja demanda.

Las células fotovoltaicas actuales que emplean los últimos avances en semiconductores de silicio dopado convierten un promedio del 18 por ciento (alcanzando un máximo de aproximadamente el 25 por ciento) de la energía de la luz incidente en electricidad, en comparación con aproximadamente el 6 por ciento de las células producidas en la década de 1950. Además de las mejoras en la eficiencia, también se están ideando nuevos métodos para producir células que son menos costosas que las fabricadas con silicio monocristalino. Tales mejoras incluyen películas de silicio que se cultivan en obleas de silicio policristalino mucho menos costosas. También se ha probado con cierto éxito el silicio amorfo, al igual que la evaporación de películas delgadas de silicio sobre sustratos de vidrio. Se están investigando otros materiales además del silicio, como el arseniuro de galio, el telururo de cadmio y el diselenuro de cobre e indio, por sus posibles beneficios en las aplicaciones de células solares. Recientemente, se han desarrollado películas delgadas de dióxido de titanio para la posible construcción de células fotovoltaicas. Estas películas transparentes son particularmente interesantes porque también pueden cumplir una doble función como ventanas.