En la primera parte del artículo Fundamentos de las celulas fotovoltaicas, comentamos acerca del comportemiento de los materiales ante la presencia de electricidad, su clasificación como conductores, dieléctricos y semiconductores. Además, vimos las particularidades del silicio como material semiconductor y su alteración ante la presencia de impurezas, obteniendo el silicio tipo N y el silicio tipo P.
Ahora veremos qué sucede al unir dos estructuras cristalinas de silicio tipo P y tipo N, y su aplicación en la generación de energia eléctrica.
La Unión PN: el diodo
Cuando un cristal de silicio contiene una región tipo N y otra tipo P los electrones libres de la zona N contigua a la zona P se desplazan para ocupar los huecos de ésta, formándose lo que se conoce como zona desértica o zona de empobrecimiento, en la que los huecos de la zona P se han llenado con los electrones libres de la zona N, no existiendo en esa zona ni unos, ni otros.
En la zona de empobrecimiento aparece un campo eléctrico con el polo positivo en la zona N y el negativo en la zona P que origina una diferencia de potencial llamada potencial de contacto. Esto hace que los electrones puedan moverse de la región P a la N pero no al inversa (al contrario que ocurre con los huecos).
De un modo simplificado, podemos concluir que el diodo permite el paso de la corriente eléctrica en el sentido de su potencial del contacto y se opone en el contrario: es un cortocircuito en un sentido y un circuito abierto en el contrario.
La célula fotovoltaica
Los electrones están unidos a su átomo por una energía característica que en el caso del silicio es de 1,12 eV. Al incidir los rayos de luz, esa energía puede vencerse liberando electrones en el interior del silicio.
En virtud de la longitud de onda el cristal recibirá más o menos energía, siendo la energía de cualquier longitud de onda menor de 1100 nm mayor que la energía de enlace. Las longitudes de onda del espectro visible abarcan desde de los 700 nm del color rojo, hasta los 400 nm del corlor violeta, por lo que cualquier radiación del espectro visible (incluso alguna radiación infrarroja) es capaz de liberar electrones. A modo de ejemplo, la energía de la luz roja es de 1,8 eV y la de la luz violeta de 3,1 eV.
Estos electrones liberados tenderán a recombinarse con los huecos dejados produciendo un aumento de temperatura, sin embargo, si el material sometido a iluminación es una unión PN, el campo eléctrico interno (potencial de contacto) separará a los electrones agrupándolos en la zona N de los huecos correspondientes que los agrupará en la zona P.
Una célula fotovoltaica está formada por una unióp PN, en la que la zona N es muy delgada y está expuesta a la luz. De esta manera generamos una tensión de entre 0,5 y 0,6V a la que si conectamos un circuito externo se producirá una corriente eléctrica. Una célula cuadrada de 10 cm de lado es capaz de generar unos 1,5 W, con una intensidad de hasta 3 A.
Para obtener potencias mayores basta con conectar en serie (misma corriente, mayor tensión) o en paralelo (viceversa) un conjunto de células.
Así por ejemplo, para un cargador de baterías solar (por ejemplo para una cámara de fotos que utiliza pilas AAA de 1,5 V y 6A) conectaríamos 2 grupos de 3 células (conectadas en serie entre sí) en paralelo.
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