Introducción
Una célula solar es un sistema semiconductor que absorbe luz (energía solar) y la convierte en energía eléctrica. Para convertir la energía del Sol en energía eléctrica y poder utilizarla de la forma más eficiente y racional posible se diseñan los sistemas fotovoltaicos. La célula solar es el elemento que convierte los fotones que proceden del Sol en una corriente eléctrica que circula por un elemento que denominamos carga. Hoy en día la célula solar más común es un dispositivo de estado sólido fabricado con materiales semiconductores.
El efecto fotovoltaico fue identificado por primera vez en 1839 por Becquerel, quien observó que la tensión que aparecía entre dos electrodos inmersos en electrolito dependía de la intensidad de luz que incidiese sobre ellos. El mismo efecto fue observado por Adams y Day, en 1879, pero esta vez utilizando un elemento sólido: el Selenio. Sin embargo la primera célula solar moderna tuvo que esperar a Chapin en 1954. Fue una célula de Silicio y no se dieron muchos detalles de su estructura debido, probablemente, al temor a que fuese copiada. La motivación para el estudio y desarrollo de las células solares durante los primeros años de investigación fue su aplicación como fuente suministradora de energía a los satélites espaciales. Hoy se espera que las células solares y la energía solar fotovoltaica contribuyan de forma importante al suministro de energía limpia a la sociedad.
Estructura básica de una célula solar
Con la teoría ya descrita en los párrafos anteriores sabemos que un fotón puede ser absorbido para crear un par eh. No basta con poner dos cables a un semiconductor y ponerlo al Sol para que circule una corriente eléctrica. Si lo hiciésemos lo único que conseguiríamos es que el semiconductor se calentase, ya que los pares eh que generase la luz desaparecerían en un punto dentro del semiconductor.
Para conseguir la extracción de corriente es necesario fabricar una unión pn que consiste en fabricar un semiconductor en el que una zona sea de semiconductor tipo n y la otra zona de tipo p. Esta fabricación no consiste en pegar un semiconductor p a uno n sino que debe hacerse de manera que la red cristalina del semiconductor no se interrumpa al pasar de una región a otra. Es necesario pues, el empleo de tecnologías especiales.
Figura 4. Un semiconductor sin estructura pn (izquierda) aunque se ilumine no provoca la circulación de corriente eléctrica. La unión pn hace posible la circulación de la corriente eléctrica gracias a la presencia de un campo eléctrico.
La existencia de la unión pn hace posible la aparición de un campo eléctrico en la célula (con la dirección del lado n al lado p) que separa los pares eh: los huecos, cargas positivas, los dirige hacia el contacto del lado p lo que provoca la extracción de un electrón desde el metal que constituye el contacto; los electrones, cargas negativas, los dirige hacia el contacto del lado n inyectándolos en el metal. Esto hace posible el mantenimiento de una corriente eléctrica por el circuito exterior y en definitiva el funcionamiento de la célula como generador fotovoltaico.
Otro concepto importante en la estructura de una célula solar es el concepto que hace referencia a lo que llamamos malla de metalización frontal. Los contactos metálicos superficiales son necesarios para extraer la corriente eléctrica de la célula. El metal es un material opaco a la luz, en consecuencia, al menos el contacto frontal (el del lado de la célula expuesta directamente al Sol) no puede recubrir completamente la superficie de la célula. Puede pensarse entonces que el contacto frontal debe ser lo más pequeño (en superficie) posible, pero si se hace excesivamente pequeño uno de los parámetros de los que hablaremos posteriormente, la resistencia serie, aumenta y esto significa una pérdida de eficiencia de la célula. Así pues ha de llegarse a una solución de compromiso para que la superficie del contacto frontal sea lo suficientemente baja para permitir el paso de la luz del Sol y lo suficientemente alta para que la resistencia serie de la célula sea tolerable. (Ver Figura 5)
Funcionamiento de una célula solar
Cuando una célula solar se expone al Sol la luz genera (g) pares eh. Cada uno de estos pares constituye un potencial electrón circulando por el circuito exterior. Asociado a este proceso tenemos los procesos de recombinación (r). Cada proceso de recombinación aniquilará uno de los pares eh generados y, por lo tanto, tendremos un electrón menos disponible para circular por el circuito exterior. De ahí que se hable del mecanismo de recombinación como un mecanismo de pérdidas para la célula.
Figura 5. Esquema de funcionamiento de una célula solar.
Para simplificar hemos representado en la Figura 5 el circuito exterior por una resistencia R que representa la carga de la célula. Si admitimos que hemos hecho circular una corriente I por el circuito exterior, esta corriente provocará una caída de tensión en la resistencia, que se traslada a los bornes de la resistencia, lo que significa que la célula debe operar a una tensión V=R•I. Esta tensión afecta a la recombinación, debido a que ésta depende de V de manera exponencial. Entonces si la carga es muy elevada, también lo será la tensión y en consecuencia la recombinación aniquilará todos los procesos de generación impedirá la circulación de la corriente.
Nombre: Luiggi D. Escalante Sarmiento
CI. 18.878.611
Materia: EES
Fuente: Células Fotovoltáicas
http://www.eis.uva.es/helios/pagina_nueva_1.htm
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