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CELDAS SOLARES
El hombre ha aprendido recientemente a transformar la energía solar en eléctrica mediante diferentes
procedimientos. Algunos de ellos, los llamados heliotérmicos o fototérmicos, operan sobre principios
semejantes a los de las centrales térmicas y nucleares convencionales y por otro lado se encuentran los
llamados fotovoltaicos, los cuales significan una importante simplificación respecto a los procesos
energéticos convencionales. Las células o celdas fotovoltaicas son dispositivos capaces de transformar la
radiación solar en electricidad; son dispositivos estáticos, es decir, carecen de partes móviles.
La conversión directa de la energía solar en electricidad, depende del efecto fotoeléctrico que ya había sido
descubierta en diversas formas en el siglo XIX. El efecto fotoeléctrico, es la emisión de electrones de una
superficie solida (o liquida) cuando se irradia con emanaciones electromagnéticas. Debemos señalar que hay
dos tipos de efectos fotoeléctricos en las celdas solares. El primero es el interno, donde ciertos portadores
de carga se ven liberados dentro del seno (cavidad) de un material mediante la absorción de fotones
energéticos. En el caso del efecto fotoeléctrico externo, se emiten electrones libres mediante electrones
libres mediante la absorción de fotones energéticos.
Partiendo de una oblea de Si (disco muy delgado) se produce una celda solar que a su vez que se ha creado
el campo eléctrico interno y después de preparar los contactos eléctricos adecuados. El campo eléctrico
debe ser superficial para que la radiación solar llegue hasta el. Los contactos eléctricos que se hacen en
ambas caras de la oblea son geometría y características especiales. La cara que no recibe la radiación se
recubre totalmente, mientras que la cara expuesta a los rayos solares solo se cubre parcialmente mediante
un electrodo metálico en forma de red. Esto permite que el electrodo recoja en forma eficiente los
portadores de carga eléctrica generados en el interior de la oblea
La construcción básica de una celda solar de unión p-n de silicio se presenta en la figura 1.Como se muestra
en la vista superior, se hace todo tipo de esfuerzos para asegurar que el área superficial perpendicular al sol
sea máxima. Además nótese que la capa metálica conectada al material tipo n y el grosor de este mismo
son tales que aseguran que un número máximo de fotones de energía luminosa alcancen la unión. Un fotón
de energía luminosa en esta región puede chocar con un electrón de valencia e impartirle suficiente energía
para que abandone el átomo. El resultado es una generación de electrones libres y huecos. Este fenómeno
ocurrirá a cada lado de la unión. En el material tipo n los nuevos huecos generados son portadores
minoritarios y se moverán con bastante libertad a través de la unión, como el caso de la unión p-n básica sin
polarización aplicada. Un argumento similar se cumple para los electrones generados en el material tipo p.
El resultado es un aumento en el flujo de portadores minoritarios, cuya dirección es opuesta a la corriente
directa convencional de una unión p-n
Figura 1: Celda solar (a) sección transversal (b) vista superior
Las celdas solares con difusión n en la parte superior y p debajo como la de la figura2 son preferibles en
aplicaciones espaciales porque son más resistentes a la alta energía de radiación que existe en órbita
cercana a la Tierra. La radiación afecta al tiempo de vida de los portadores minoritarios, y la respuesta de la
célula a longitudes de onda larga se reduce debido a que los pares inducidos por el infrarrojo se forman
generalmente más allá de la región desierta y tienen mayor recorrido de difusión. En las células n sobre p,
los portadores minoritarios en la región inferior p son electrones cuyo tiempo de vida es mucho mayor que
el de los huecos, y por tanto son menos afectados por la radiación. Debido a que una celda solar genera
corrientes y voltajes pequeños, éstas no son los elementos que se utilizan en las aplicaciones prácticas, sino
que, con objeto de lograr potencias mayores, se acoplan en serie o en paralelo (paneles) para obtener
mayores voltajes y corrientes formando lo que se denomina módulo fotovoltaico, que es el elemento que se
comercializa. A la vez, estos módulos se conectan en serie o en paralelo para obtener los voltajes y
corrientes que nos den la potencia deseada. Los módulos en serie aumentan el voltaje y conservan la misma
corriente, mientras que módulos en paralelo aumentan la corriente, conservando el mismo voltaje.
Figura 2: Celda solar típica para aplicaciones espaciales
Tecnología de la celda solar (obleas)
Silicio cristalino.- Hechos en largos cilindros y rebanadas en círculos, cuadrados, u obleas octagonales, estas
celdas son las más eficientes y las más caras. El silicio cristalino cuenta alrededor de la mitad del mercado de
celdas fotovoltaicas.
Silicio policristalino.- Hecho de silicio fundido en forma de lingotes o trazado en láminas y cortados en obleas
cuadradas, estas celdas son más baratas pero menos eficientes. [1]
(a)
(b)
Figura 3 Celdas solares (a) Si cristalino (b) Si policristalino
Principio de funcionamiento de una celda solar
La forma más común de las celdas solares se basa en el efecto fotovoltaico, en el cual la luz que incide sobre
un dispositivo semiconductor de dos capas produce una diferencia del potencial entre las capas. Este voltaje
es capaz de conducir una corriente a través de un circuito externo de modo de producir trabajo útil. La parte
más importante de las celdas solares son las capas de semiconductores.
Figura 4: Esquema básico del funcionamiento de las celdas solares.
Para entender la operación de una célula fotovoltaica, necesitamos considerar la naturaleza del material y la
naturaleza de la luz del sol. Las celdas solares están formadas por dos tipos de materiales, generalmente
silicio tipo p y silicio tipo n. La luz de ciertas longitudes de onda puede ionizar los átomos en el silicio y el
campo eléctrico interno producido en la unión de los materiales n y p separa las cargas positivas ("agujeros o
pozos") de las cargas negativas (electrones) dentro del dispositivo fotovoltaico. Los agujeros se mueven
hacia la capa positiva o capa de tipo p y los electrones hacia la negativa o capa tipo n. Aunque estas cargas
opuestas se atraen mutuamente, la mayoría de ellas solamente se pueden recombinar pasando a través de
un circuito externo fuera del material debido a la barrera de energía potencial interno. Por lo tanto, si se
hace un circuito se puede producir una corriente a partir de las celdas iluminadas, puesto que los electrones
libres tienen que pasar a través del circuito para recombinarse con los agujeros positivos. La temperatura
afecta dramáticamente la eficiencia de la celda debido a que una temperatura mayor promueve la
recombinación interna. [2]
En una muestra de metal, los electrones exteriores de sus átomos, denominados electrones de valencia
pueden moverse libremente. Se dice que están deslocalizados en regiones del espacio que ocupan toda la
red cristalina, como si de una malla se tratase. En términos energéticos esto quiere decir que los electrones
de la última capa del átomo ocupan niveles de energía altos que les permite escaparse del enlace que les
une a su átomo.
El conjunto de estos niveles, muy próximos unos de otros, forman parte de la llamada banda de conducción
(en adelante BC). Esta banda está formada, además, por niveles de energía vacíos y es, precisamente, la
existencia de estos niveles vacíos la que permite que los electrones puedan saltar a ellos cuando se les pone
en movimiento, al aplicar un campo eléctrico. Precisamente esta circunstancia permite que los metales sean
conductores de la electricidad.
Los demás electrones del átomo, con energías menores, forman la banda de valencia (BV). La distancia entre
ambas bandas, en términos de energía, es nula. Ambas bandas se solapan de manera que los electrones de
la BV con más energía se encuentran, también, en la BC.
En las sustancias aislantes, la BC está completamente vacía porque todos los electrones, incluidos los de la
última capa están ligados al átomo, tienen una energía más baja, y por lo tanto se encuentran en la banda
de valencia, y además la distancia entre las bandas (se denomina a esta distancia energética banda
prohibida, o gap) es bastante grande, con lo que les es muy difícil saltar a la BC. Como la BV está llena, los
electrones no pueden moverse y no puede haber corriente eléctrica al aplicar un voltaje entre los extremos
del aislante.
En los semiconductores, las bandas de valencia y conducción presentan una situación intermedia entre la
que se da en un conductor y la que es normal en un aislante. La BC tiene muy pocos electrones. Esto es
debido a que la separación que hay entre la BV y la BC no es nula, pero si pequeña. Así se explica que los
semiconductores aumentan su conductividad con la temperatura, pues la energía térmica suministrada es
suficiente para que los electrones puedan saltar a la banda de conducción, mientras que los conductores la
disminuyen, debido a que las vibraciones de los átomos aumentan y dificultan la movilidad de los
electrones.
Lo interesante de los semiconductores es que su pequeña conductividad eléctrica es debida, tanto a la
presencia de electrones en la BC, como a que la BV no está totalmente llena. [3]
Referencias
[1]http://www.itlalaguna.edu.mx/academico/carreras/electronica/opteca/OPTOPDF4_archivos/UNIDAD4TE
MA1.pdf
[2] http://knol.google.com/k/celdas-solares-caseras#
[3] http://es.wikipedia.org/wiki/Panel_fotovoltaico