Celdas Fotovoltaicas

La célula fotovoltaica

La conversión de la radiación solar en una corriente de electrones tiene lugar en la célula fotovoltaica, un dispositivo formado por una delgada placa de material semiconductor, a menudo silicio, idealmente preparada. Este tratamiento se caracteriza por varios procesos químicos, entre los que están los así llamados "dopados". Insertando en la estructura cristalina del silicio impurezas, es decir átomos de boro y fósforo, se genera un campo eléctrico y también se ponen a disposición las cargas necesarias a la formación de la corriente eléctrica. Ésta se crea cuando la célula, cuyas dos caras están conectadas a un aparato eléctrico, está expuesta a la luz.

Prácticamente la típica célula fotovoltaica tiene un espesor total de entre 0,25 y 0,35 mm y está constituida por silicio mono o policristalino. Generalmente es de forma cuadrada, tiene una superficie comprendida entre 100 y 225 m² 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.

Recientemente muchas empresas productoras han demostrado un fuerte interés, además que por el silicio cristalino, en la realización de líneas de producción de módulos basados en el silicio amorfo. El silicio amorfo ya está presente en el mercado desde hace varios años, pero hasta ahora no había ganado una cuota de mercado significativa, sobre todo a causa de las dudas existentes sobre su durabilidad en el tiempo. Por eso el amorfo es utilizado sobre todo para aplicaciones "indoor", es decir para alimentar pequeños aparatos eléctricos, como calculadoras de bolsillo, relojes, diferentes gadgets. Actualmente existe una tecnología productiva que realiza varios estratos de silicio amorfo, la así llamada "heterounión", que al parecer resuelve los viejos problemas de estabilidad. En cuanto al costo, el tradicional silicio amorfo presenta menor costo con respecto al silicio cristalino (mono o multi), mientras que el amorfo de dos o tres uniones necesita ulteriores reducciones de costo para que se pueda difundir a gran escala.

La "física" del proceso fotovoltaico

Al convertir directamente la energía solar en energía eléctrica, con la célula fotovoltaica, ocurre el fenómeno físico, efecto fotovoltaico, de la interacción de la radiación luminosa con los electrones de valencia en los medios semiconductores. Para mayor simplicidad, tomemos en consideración el caso de una célula fotovoltaica convencional de silicio cristalino.

Normalmente el átomo de silicio posee catorce electrones, siendo cuatro de ellos electrones de valencia, que por lo tanto pueden participar a las interacciones con otros átomos, tanto de silicio como de otros elementos. Dos átomos adyacentes de un cristal de silicio puro tienen en común un par de electrones, uno de los que pertenece al átomo considerado, mientras que el otro pertenece al átomo cercano.

Allí es donde 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 hacia la banda de conduccion, donde es libre de desplazarse, contribuyendo así al flujo de electricidad. Cuando pasa a la banda de conducción, el electrón deja detrás 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, es decir una corriente, mediante un campo eléctrico dentro de la célula(fotovoltaica). El campo se realiza con particulares tratamientos físicos y químicos, creando un exceso de átomos cargados positivamente en una parte del semiconductor, y un exceso de átomos cargados negativamente en el otro. Prácticamente se obtiene esta condición 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 el que el paso de corriente, constituida por portadores de carga libres, por ejemplo electrones, está obstaculizado en una dirección y facilitado en la contraria.

En la capa dopada con fósforo, que tiene cinco electrones de exteriores contra los cuatro de silicio, está presente una carga negativa débilmente combinada, formada por un electrón, llamado "de valencia", para cada átomo de fósforo.

De la misma manera, en la capa dopada con boro, que tiene tres electrones exteriores, se determina una carga positiva en exceso, 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, conseguido el punto de equilibrio electrostático, determina un exceso de carga positiva en la zona N, debido a los átomos de fósforo con un electrón de menos, y un exceso de carga negativa en la zona P, debido a los electrones provenientes de la zona N. El resultado es un campo eléctrico interno al dispositivo que separa los electrones en exceso generados por la absorción de la luz por parte de los huecos correspondientes, empujándolos hacia direcciones opuestas de manera que un circuito exterior pueda recoger la corriente así generada.

Los fotones de la luz que tienen bastante energía pueden arrancar un electrón de un estado combinado y elevarlo a un estado libre en la banda de conducción del material. Se obtiene así la producción de dos portadores de carga libres: el electrón libre, en la banda de conducción, y el hueco libre, en la banda de valencia. La conversión de la luz en energía eléctrica realizada por la célula fotovoltaica se produce esencialmente porque estos portadores de carga libres, generados por la luz, son empujados hacia direcciones opuestas por el campo eléctrico incorporado. Una vez atravesado el campo, los electrones libres ya no vuelven atrás, porque el campo, actuando como un diodo, les impide invertir el rumbo.

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

...