Célula fotoeléctrica
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Célula fotovoltaica una célula fotoeléctrica, también llamada célula, fotocélula o celda fotovoltaica, es un dispositivo electrónico que permite transformar la energía luminosa (fotones) en energía eléctrica (electrones) mediante el efecto fotovoltaico.
Sumario
Componentes
Están formadas por muchos diodos semiconductores juntos y son fabricadas usando diferentes materiales y procesos, ya que todavía se continúa perfeccionando el producto buscando la manera de abaratar el costo e incrementar su eficiencia. Cuando la luz solar pega sobre estos paneles, tiene la energía y el espectro luminoso necesario para alterar el estado de equilibrio de la juntura N–P en estos diodos y se genera un exceso de cargas libres, las que pueden sostener una corriente, si se cierra el circuito externo.
Generalidades
La célula solar es un dispositivo semiconductor capaz de convertir los fotones procedentes del Sol en electricidad de una forma directa e inmediata. Esta conversión se conoce con el nombre de efecto fotovoltaico. Una forma más general de célula solar, afectada tanto por los fotones del Sol como los de otras fuentes artificiales, como una bombilla, se denomina célula fotovoltaica.
Las células solares tienen muchas aplicaciones. Son particularmente interesantes, y han sido históricamente utilizadas, para producir electricidad en lugares donde no llega la red de distribución eléctrica, tanto en áreas remotas de la Tierra como del espacio, haciendo posible el funcionamiento de todo tipo de dispositivos eléctricos como satélites de comunicaciones, radioteléfonos o bombas de succión de agua. Ensambladas en paneles o módulos y dispuestas sobre los tejados de las casas, por medio de un inversor, pueden inyectar la electricidad generada en la red de distribución para el consumo, favoreciendo la producción global de energía primaria de un país, de manera limpia y sostenible.
Funcionamiento
Cuando la luz solar que incide sobre la zona adyacente a la juntura tiene el espectro y nivel de energía requerido por el material Si el bombardeo de los fotones crea pares de cargas libres, los que se mueven libremente. Algunos de estos pares se recombinan neutralizan antes de migrar a la zona de juntura, pero un elevado porcentaje de electrones del lado P y de hoyos del lado N serán impulsados a través de la juntura. La dirección del campo eléctrico hace que estas cargas no puedan volver, alterándose el estado de equilibrio. Las cargas libres están listas para sostener una corriente cuando se conecten el lado N y P a una carga eléctrica externa.
Historia de las células solares fotovoltaicas
El término fotovoltaico viene del griego luz y del nombre del físico italiano Volta, de donde proviene también voltio y voltaje. Literalmente significa luz y electricidad. El efecto fotovoltaico fue atribuido por primera vez, en 1839, al físico francés Alexandre-Edmond Becquerel, sin embargo, no fue hasta 1883 cuando Charles Fritts construyó la primera célula fotovoltaica, recubriendo un semiconductor de selenio por una fina capa de oro, formando las primeras uniones p-n. Este pequeño dispositivo sólo tenía una eficiencia del 1%. Russell Ohl patentó la moderna célula solar en 1946
Generaciones
- Primera generación. El dispositivo consiste en una gran superficie de silicio, formada por una única capa de uniones p–n, la cual es capaz de generar electricidad usando el espectro visible de la luz solar. De este tipo son la mayoría de las células que se producen en la actualidad. Su eficiencia es baja, el rendimiento práctico no suele ir más allá del 15% y su coste, debido al proceso de elaboración, muy elevado.
- Segunda generación. Se basa en múltiples capas de uniones p–n. Cada capa está diseñada para absorber una longitud de onda mayor de la luz, incrementando la producción de electricidad y por tanto, la eficiencia.
- Tercera generación. Esta generación es muy diferente de las otras dos. El semiconductor no se apoya sobre las uniones p-n tradicionales para separar las cargas eléctricas foto–generadas. Estos nuevos dispositivos son las células solares del tipo sensibilizado por tinte dye sensitized solar cells, las células de polímeros orgánicos y las de puntos cuánticos quantum dot.
Tipos de células fotovoltaicas
El mercado ofrece numerosos tipos de células FVs. Algunas gozan de más difusión que otras debido a que fueron introducidas hace largo tiempo atrás. Todas las células pertenecen a uno de los grupos mencionados a continuación:
- Mono–cristalinas.
- Poli–cristalinas.
- Amorfas.
El orden dado es el mismo cuando se considera el costo o la eficiencia de conversión. Las células de estructura mono–cristalina fueron las primeras en ser manufacturadas, ya que se podían emplear las mismas técnicas usadas previamente en la fabricación de diodos y transistores. A este tipo de células, conocidas simplemente como cristalinas, se le asigna la abreviatura cSi. El proceso de fabricación del cristal de silicio requiere un alto consumo de energía eléctrica, lo que eleva el costo de estas células, las que proporcionan los más altos valores de eficiencia. Recientemente, la compañía Sun–Power ha anunciado la introducción de una célula de cSi, sin rejilla de contacto frontal, la que tendría una eficiencia del 20% máximo teórico: aprox. 25%
La versión poli–cristalina pSi se obtiene fundiendo silicio de grado industrial, el que se vierte en moldes rectangulares, de sección cuadrada. Como el costo del material y el procesado se simplifican, las células amorfas alcanzan un valor intermedio entre las cristalinas y las amorfas. La eficiencia ha ido creciendo, llegando a ofrecerse Kyocera células de pSi con eficiencia de conversión del 15%, un valor reservado pocos años atrás para las células de cSi.
Pérdidas de energía luminosa
Estas pérdidas ocurren fuera del material semiconductor. Se considera:
- La reflectancia de la superficie colectora.
- El "sombreado" de los contactos.
La superficie colectora de una célula de cSi actúa como un espejo, reflejando hasta el 30% de la luz incidente. Para disminuir la reflectancia, la superficie de colección recibe una capa antireflectiva de monóxido de silicio SiO, la que disminuye la reflectancia a un 10%. Una segunda capa baja la reflectancia a un 4%, pero incrementa el costo. La necesidad de una capa antireflectiva se extiende a todo tipo de células, si bien el tratamiento es diferente.
El contacto ubicado sobre la superficie colectora utiliza una rejilla metálica, de trazos finos, la que contribuye a disminuir el área activa de la célula. A este problema se lo conoce como el "sombreado" de los contactos y no debe confundirse con el sombreado externo sobre el área colectora. Esta reducción, en células modernas, varía entre un 3 y un 5% de la superficie activa. Un fabricante ha anunciado la producción de células sin rejillas frontales Sun Power.
Forma geométrica
El método de fabricación determina, en gran parte, la forma geométrica de la célula FV. Las primeras versiones de cSi eran redondas, pues el cristal puro tenía una sección circular. Versiones más recientes tienen forma cuadrada, o casi–cuadrada, donde las esquinas tienen vértices a 45o. Las células de pSi son cuadradas porque el molde donde se vierte el semiconductor fundido tiene esta forma. La forma cuadrada permite un mayor compactado de las mismas dentro del panel fotovoltaico, disminuyendo la superficie que se necesita para colocar un determinado número de células
Materiales absorbentes de luz
Todas las células solares requieren de un material absorbente de luz capaz de atrapar los fotones y desplazar electrones por medio del efecto fotovoltaico. Los materiales usados en las células solares suelen estar diseñados para absorber la luz solar que llega a la superficie de la Tierra sin embargo, hay células solares optimizadas para absorber longitudes de onda que no llegan a atravesar la atmósfera. Estos materiales pueden usarse en múltiples configuraciones físicas para absorber diferentes longitudes de onda produciendo la separación de cargas (electrones y huecos). La mayoría de las células solares entran dentro de la categoría de materiales gruesos, suelen fabricarse a partir de barras generalmente de silicio cortadas en rodajas u obleas y tratadas químicamente de forma distinta por cada cara. Otros materiales se configuran como películas delgadas depositadas sobre un sustrato adecuado y, por último, el tercer grupo son los puntos cuánticos
Gruesos (Bulk)
Este tipo de tecnología hace referencia al proceso de fabricación, que consiste en la producción de un lingote cilindrico de silicio dopado con boro y que es recuadrado hasta obtener un prisma cuadrangular. Éste es cortado en rebanadas finas 0.3mm de espesor, más o menos que se conoce en el mundo fotovoltaico con el nombre de obleas, y es el punto de partida para la fabricación de la mayoría de paneles fotovoltaicos actuales.
Germanio
El Germanio tiene un menor ancho de banda de absorción que el silicio, resultando apropiado para la absorción de longitudes de onda mayores, como la luz infrarroja. Las obleas de este material pueden resultar útiles para la fabricación multi–capa de películas ligeras.
Silicio
El silicio cristalino es el material más utilizado en la fabricación de células solares. El silicio en grueso puede clasificarse en varias categorías en función de la cristalinidad y el tamaño de los cristales de los que se pueden obtener lingotes, tiras u obleas.
- Silicio monocristalino: es el que se suele obtener a través del proceso Czochralski. Las células de este material suelen ser más caras y las obleas resultantes de cortar los lingotes en finas rebanadas, no suelen cubrir todo el panel fotovoltaico, quedando las esquinas de cada célula sin material.
- Silicio policristalino: Se fabrican cortando obleas a partir de lingotes cilíndricos cortados longitudinalmente como cuadrados. Las células obtenidas son más baratas que las obtenidas a partir de un único cristal, pero menos eficientes.
- Tiras de silicio: se obtienen tiras delgadas a partir del silicio fundido, también tienen una estructura policristalina. Estas células aún tienen menos eficiencia que las policristalinas, pero se ahorra más en el proceso de fabricación ya que no se desperdicia tanto material al no necesitar la solidificación en lingotes.
