Características de las placas fotovoltaicas

 

El físico francés AE Becquerel, en 1839, describió el efecto fotovoltaico, aunque no fue hasta el año 1954 cuando Chapin, Fuller y Pearson, de los laboratorios Bell Telephone, desarrollaron la primera célula solar eficiente. Durante los años ochenta y principios de los noventa, estas células se fabricaron de una manera bastante artesanal y dieron paso a la fabricación de los módulos fotovoltaicos que han sido la base de la electrificación de lugares aislados. La plataforma de adquisición de la experiencia permitió en la segunda parte de los noventa el despegue tecnológico y la fabricación en masa con el abaratamiento de costes y eficiencias que pueden superar el20% de rendimiento en los tests de laboratorio.[1]

 

Los materiales semiconductores (como el silicio) tienen la particularidad de presentar un comportamiento diferente ante la electricidad (conducción de cargas) dependiendo de si una fuente energética externa, como la radiación solar incidente, les excita o no. Cuando un fotón (partícula de luz radiante) impacta contra un electrón de la última órbita de un átomo de silicio (electrón de valencia), éste recibe la energía con que viajaba el fotón.

 

Si la energía que adquiere el electrón supera la fuerza de atracción del núcleo (energía de valencia), este sale de su órbita y queda libre del átomo y, por tanto, puede viajar a través del material. En este momento, diríamos que el silicio se ha hecho conductor (lado de conducción) y, para ello, hace falta que la fuerza de impacto de un fotón sea, como mínimo, de 1, 2 eV.

 

Cada electrón «liberado» deja atrás un agujero, o espacio libre, hasta que lo ocupe un electrón que ha saltado de otro átomo. Estos movimientos de los electrones liberados o los espacios que dejan atrás es lo que se llaman cargas eléctricas. Esta corriente de cargas puede alcanzar los contactos y salir del material con la finalidad de realizar un trabajo útil. Para que esto ocurra de manera constante y regular, hace falta que haya la presencia de un campo eléctrico de polaridad constante. Este campo polariza las partículas y actúa como una verdadera bomba que impulsa los electrones en un sentido y, los agujeros, en la opuesta.[2]

 

En las células solares convencionales, el campo eléctrico (0,5 V) se forma gracias a una unión PN, es decir, una zona del material tiene exceso de electrones (carga negativa),mientras que la otra tiene carencia (carga positiva), de manera que al ser liberado un electrón es impulsado a través del material hasta los conductos de plata, de baja resistividad. Aunque no todos los fotones alcanzan el objetivo de separar electrones, esto se debe a que atravesar el material implica siempre una cierta pérdida energética y, por tanto, que en el momento de la colisión algunos fotones ya han quedado fuera del umbral requerido para desplazar un electrón.

 

Estas pérdidas por no-absorción sólo dependen de las propiedades del material y son inevitables. Asimismo, hay un porcentaje de fotones que llegan a atravesar la lámina de semi conductor sin topar con ningún electrón y otros que iluminan la superficie del material y son reflejados (pérdidas por reflexión). Estas pérdidas se pueden reducir a través de tratamientos antireflexius de la superficie de la célula.

 

Sólo se consigue la generación de un par electrón-hueco por cada fotón con energía cinética superior a la mínima energía (gap) que consiga penetrar en el material y tope con un electrón de valencia. La célula solar más habitual es una lámina de silicio cristalino de un espesor aproximado de0,3 mm. El proceso de elaboración es de un nivel sofisticado y delicado para poder conseguiruna homogeneidad del material. El campo eléctrico se genera a partir de la diferente polarización de dos zonas de la célula.

 

Generalmente, la parte superior tiene un carácter negativo y el resto positivo para de crear la unión p-n. Se consigue, así, que una de sus zonas tenga:• Defecto de electrones, llamada zona «p» o positiva, o ánodo o receptor. Generalmente, consigue añadiendo al silicio puro una pequeña parte de boro que sólo tiene3 electrones de valencia.[3]

 

• Exceso de electrones, llamada «n» o negativa, o cátodo o emisor. Generalmente formada por la difusión de fósforo que tiene 5 electrones en la última órbita. Debido a esta diferencia de carga eléctrica en el material, se produce el campo eléctrico encargado de empujar los electrones a salir de la célula por la superficie de la capa N, lo que implica el establecimiento de una corriente eléctrica.

 

La célula está dotada de unos contactos eléctricos para poder canalizar la energía que produce cuando se la ilumina. Estos contactos están diseñados de forma ramificada(En la cara soleada). Hay dos principales y, además, están las ramificaciones que los unen para recaudar mejor los electrones en toda la superficie de la célulalula. El objetivo es combinar la vez un buen contacto eléctrico, de baja resistividad y hacer la sombra mínima para que los fotones lleguen al material activo de la célula.[4]



[1] Ton Koppel. Powering the future the ballard fuel cell and the race to change the Word. Editorial John and Wiley and Sons. 1999.

 

[2] Peter Hoffmann. Tomorrow’s energy hydrogen, fuel cells, and the prospects for a cleaner planet. Editorial MIT Press. 2002.

 

[3] Peter Hoffmann. Tomorrow’s energy hydrogen, fuel cells, and the prospects for a cleaner planet. Editorial MIT Press. 2002.

 

[4] Peter Hoffmann. Tomorrow’s energy hydrogen, fuel cells, and the prospects for a cleaner planet. Editorial MIT Press. 2002.

Autor: Sampiere

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