 Las células fotovoltaicas transforman la energía lumínica en energía eléctrica. Están construidas en materiales semiconductores, fundamentalmente silicio. Generan corriente continua y su conexión puede ser en paralelo o en serie para conseguir cualquier combinación de corriente y tensión, hasta alcanzar la potencia requerida.
A lo largo de los dos próximos artículos haremos un somero repaso a los fundamentos teóricos del comportamiento fotovoltaico del diodo de silicio.
Conductores, dieléctricos y semiconductores
Desde el punto de vista del comportamiento eléctrico, los materiales se clasifican en conductores y aislantes (o dieléctricos).
En los conductores hay gran cantidad de electrones que están ligados a su átomo por energías muy débiles por lo que pueden moverse con enorme facilidad. Hace falta poca energía para conseguir que los electrones se desplacen transmitiendo así la electricidad.
En los dieléctricos ocurre todo lo contrario, la gran mayoría de electrones están firmemente sujetos a su núcleo por lo que la energía necesaria para arrancarlos y conseguir una ligera conductividad es muy alta.
Existen, sin embargo, otro tipo de materiales conocidos como semiconductores. En ellos, el número de electrones fácilmente desplazables es menor que en los conductores, pero mayor que en los aislantes. Además, esta cantidad de electrones libre es sensible a la temperatura, aumentando con la misma, por lo que, a diferencia de los conductores, la conductividad es mayor con la temperatura.
Materiales semiconductores: El Silicio
El material semiconductor más utilizado es el silicio (Si). Es el elemento número 14 de la tabla periódica, por lo que consta de 14 electrones, de los que 4 se hallan en la última capa.
La estructura del Silicio es de cristal tetraédico en la que cada átomo está enlazado con otros cuatro.
Si en algunos de estos cristales de silicio sustituimos un átomo de silicio por otro de fósforo, que tiene 5 electrones en su última capa, conseguimos que aumente el número de electrones libres. La carga eléctrica total sigue siendo neutra, pero el número de electrones cuya energía de unión a su átomo es baja aumenta.
Para que nos hagamos una idea más clara, imaginemos una estructura cristalina tetraédrica con cuatro electrones en la capa más externa de cada vértice. En algunos de ellos, hay cinco electrones (en los que hemos introducido el fósforo) por lo que uno de ellos sobra, digamos que no tiene espacio.
Si en lugar de fósforo usamos Boro, que tiene 3 electrones en la última capa, conseguimos dejar un “hueco” libre que puede ser ocupado por un electrón. Es decir, en la última capa cabrían 4 electrones pero sólo hay 3.
Este efecto de añadir impurezas de fósforo o boro, se denomina contaminación o dopaje.
Los cristales de silicio dopados con fósforo u otros elementos, de forma que tienen exceso de electrones libres se denominan silicio tipo N. Los dopados con defecto de electrones, con huecos libres, se denominan tipo P.
En el próximo artículo veremos lo que ocurre al unir silicio tipo P con tipo N y su aplicación en el efecto fotoeléctrico.
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