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Funcionamiento de una celda solar
Alumno: Ernesto Espíndola Ramos
Facultad de Ciencias Físico-Matemáticas, BUAP
1. Introducción.
Las celdas solares tienen como fundamento el efecto fotovoltaico, para entender este necesitamos conocer alguna
información sobre los semiconductores.
2. Bandas BV y BC.
En el modelo del átomo, los electrones ocupan niveles de
energía que podemos agrupar en dos conjuntos: la banda de
conducción (BC), y banda de valencia (BV).
La BC es el conjunto de niveles de energía altos que les
permite a los electrones escaparse del enlace que les une a su
átomo; los demás electrones de energías menores forman la
BV.
En un metal, los electrones exteriores del átomo, denominados
electrones de valencia, pertenecen a la BC, y además la
distancia entre la BC y BV es nula en términos energéticos; En
un aislante la BC está totalmente vacía (todos sus electrones
están ligados al átomo) y además la distancia entre bandas
(banda prohibida) es grande, con lo que es muy difícil saltar a
la BC; En un semiconductor la BC y la BV presentan una
situación intermedia, la BC tiene muy pocos electrones, esto
se debe a que la separación que hay entre la BV y la BC no es
nula, pero si pequeña.
La BC 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; 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
.
muestra una afinidad por los electrones menor que el silicio.
Por otro lado, el boro (correspondiente a la región p) tiene sólo
tres electrones de valencia, por lo que su afinidad por los
electrones es mayor que la del silicio.
En una unión entre un semiconductor p y uno n, a temperatura
ambiente, los huecos de la zona p pasan por difusión hacia
la zona n y los electrones de la zona n pasan a la zona p. En la
zona de la unión, huecos y electrones se recombinan,
quedando una estrecha zona de transición con una
distribución de carga debida a la presencia de los iones de las
impurezas y a la ausencia de huecos y electrones. Se crea,
entonces un campo eléctrico que produce corrientes de
desplazamiento, que equilibran a las de difusión. A la
diferencia de potencial correspondiente a este
campo eléctrico se le llama potencial de contacto.
Imag
1:Efecto fotovoltaico
Un modelo del funcionamiento de una célula solar esta
representado en el siguiente diagrama:
Imag
3. Funcionamiento de una celda solar
(efecto-fotovoltaico).
De los fotones (provenientes del sol) que impactan sobre la
superficie del panel (elaborada de algún material
semiconductor, el silicio, por ejemplo), algunos fotones
traspasan el panel, algunos otros son reflejados, y otros son
absorbidos, en cuyo caso puede generar calor o liberar un
electrón hacia la BC.
Cuando se libera un electrón de la BV, se crean huecos (carga
positiva) que huyen en dirección opuesta a la de los
electrones.
Para que se produzca una corriente eléctrica es necesario que
los electrones-huecos se muevan en direcciones opuestas,
esto se logra a través de un campo eléctrico en el interior del
semiconductor.
Una forma de producir un campo eléctrico es utilizando dos
placas de silicio dopadas, una con fósforo (región n), y la otra
con boro (región p). El fósforo tiene 5 electrones de valencia,
uno más que el silicio, de modo que esta región (región n)
2:Circuito equivalente de una célula solar
Una célula ideal puede ser modelada como una fuente
eléctrica conectada con un diodo en paralelo. En la práctica,
no existen células ideales, por lo que se colocan un resistencia
en paralelo y una resistencia en serie.
4. ¿Por qué se utilizan semiconductores y no
metales?.
Una posible razón de por qué se utilizan semiconductores y no
metales es por el hecho de que si se producen pares
electrones-huecos en un metal, los huecos son fácilmente
rellenados por que la distancia entre la BV y la BC es
prácticamente nula, además de que el metal posee electrones
en su banda de conducción, en cambio , en un semiconductor
la distancia entre bandas es mayor, además de que no posee
electrones en la banda BC, lo que da posibilidad de que los
huecos también fluyan a través del metal.
Referencias
http://es.wikipedia.org/wiki/Panel fotovoltaico
http://www.solarpedia.es/index.php/C_elula solar
http://personales.upv.es/jquiles/pr_/semi/ayuda/hlppn.htm