La conversión directa de energía solar en energía eléctrica utiliza el fenómeno físico denominado efecto fotovoltaico de interacción de la radiación luminosa con los electrones de valencia en medios semiconductores.
En el caso de una célula convencional de silicio cristalino, 4 de los normalmente 14 electrones que posee un átomo de silicio son de valencia y por lo tanto pueden participar en interacciones con otros átomos (tanto de silicio como de otros elementos).
Dos átomos adyacentes de silicio puro tienen en común un par de electrones.
Hay un fuerte enlace electrostático entre un electrón y los dos átomos que contribuye a mantener unidos.
Ese enlace puede ser separado por una cierta cantidad de energía.
Si la energía suministrada es suficiente, el electrón es llevado a un nivel energético superior (banda de conducción), donde es libre de desplazarse.
Cuando pasa a la banda de conducción, el electrón deja detrás de sí un «hueco», es decir un vacío donde falta un electrón. Un electrón cercano puede llenar fácilmente el hueco, intercambiándose así de lugar con éste.
Para aprovechar la electricidad es necesario crear un movimiento coherente de electrones (y de huecos) mediante un campo eléctrico dentro de la célula.
El campo se forma con tratamientos físicos y químicos que crean un exceso de átomos cargados positivamente en una parte del semiconductor y un exceso de átomos cargados negativamente en el otro.
Esto se obtiene introduciendo pequeñas cantidades de átomos de boro (cargados positivamente) y de fósforo (cargados negativamente) en la estructura cristalina del silicio, es decir dopando el semiconductor.
La atracción electrostática entre las dos especies atómicas crea un campo eléctrico fijo que da a la célula la estructura llamada de diodo, en la que el paso de corriente está obstaculizado en una dirección y facilitado en la contraria.
En la capa dopada con fósforo, que tiene 5 electrones exteriores contra los 4 de silicio, está presente una carga negativa formada por un electrón de valencia para cada átomo de fósforo.
En la capa dopada con boro, que tiene 3 electrones exteriores, se crea una carga positiva formada por los huecos presentes en los átomos de boro cuando se combinan con el silicio.
La primera capa, de carga negativa, se indica con N; la otra, de carga positiva, con P; la zona de separación se llama unión P-N.
Al acercar las dos capas se activa un flujo electrónico desde la zona N hasta la zona P, que al conseguir el punto de equilibrio electrostático, determina un exceso de carga positiva en la zona N y un exceso de carga negativa en la zona P.
El resultado es un campo eléctrico interno al dispositivo que separa los electrones en exceso generados por la absorción de la luz en los huecos correspondientes, empujándolos hacia direcciones opuestas (los electrones hacia la zona N y los huecos hacia la zona P) de manera que un circuito exterior pueda recoger la corriente generada.
Por eso, cuando la luz incide en la célula fotovoltaica, las cargas positivas son empujadas en número creciente hacia la parte superior de la célula y las cargas negativas hacia la inferior, o viceversa, según el tipo de célula.
Si la parte inferior y la superior están conectadas por un conductor, las cargas libres lo atraviesan y se obtiene una corriente eléctrica.
Mientras la célula permanece expuesta a la luz, la electricidad fluye con regularidad como corriente continua.
La eficiencia de conversión en células comerciales de silicio normalmente está comprendida entre el 13% y el 20%.
La típica célula fotovoltaica tiene un espesor total de entre 0,25 y 0,35 mm.
Generalmente es de forma cuadrada, tiene una superficie comprendida entre 100 y 225 mm² y produce (con una radiación de 1 kW/m² a una temperatura de 25°C) una corriente comprendida entre 3 y 4 A, una tensión de aproximadamente 0,5 V y una potencia correspondiente de 1,5 – 2 Wp.
Este es un extracto de los contenidos incluídos en el Manual Técnico-Comercial de Energía Solar Fotovoltaica y en la formación e-learning de Sopelia.
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