Célula fotoeléctrica

Unha célula solar ou célula fotoeléctrica é un dispositivo que transforma a luz en electricidade. Ás veces o termo célula solar emprégase só en dispositivos de captura de enerxía solar, mentres que célula fotoeléctrica utilízase cando a fonte da luz é inespecífica.

Fundamentalmente, o dispositivo só precisa ter dúas funcións: fotoxeración de electróns cargados, e ocos nun material de absorción de luz, e separar os electróns cargados a un contacto condutor que transmite a electricidade (levando simplemente os electróns a través dun contacto metálico a outro circuíto). Esta conversión é o efecto fotoeléctrico, e o campo que o estuda é a fotovoltaica.

As células fotoeléctricas teñen numerosas aplicacións. Poden empregarse en zonas onde non se pode levar a enerxía eléctrica por rede, como en áreas illadas, satélites en órbita e probas espaciais, bens de consumo, como poden ser calculadoras ou reloxos, radioteléfonos e bombas de auga. Recentemente ándanse a aplicar ensamblaxes de módulos solares (panel fotovoltaico) conectados coa rede eléctrica mediante un investidor, e combinados cun contador de luz.

Catro xeracións de desenvolvemento

Primeira

A primeira xeración fotovoltaica consiste en grandes capas simples de díodos de tipo p-n, capaces de xerar enerxía eléctrica utilizable de fontes de luz coa lonxitude de onda da luz solar. Estas células obtéñense de obleas de silicona. Son a tecnoloxía que domina a produción comercial de células solares, con máis do 86% do mercado.

Segunda

A segunda xeración de materiais fotovoltaicos baséase no uso de depósitos en capa fina de semicondutores. Estes dispositivos foron deseñados coma células fotoeléctricas de múltiples unións con alto rendemento. Máis tarde a utilización materiais en capas finas para reducir a masa amosouse como unha grande vantaxe, precedendo unha forte diminución nos custos destes dispositivos. Hoxe en día (2007) investígase sobre moitos materiais semicondutores para produción masiva de células, como por exemplo sílice amorfa, sílice policristalina, telurato de cadmio, sulfato/seleniato de cobre-indio... Ós rendementos de células solares de capa fina son inferiores ás sílices de oblea, pero os custos de fabricación tamén son moito menores, acadando un custo por vatio moi inferior. Tamén permiten a colocación destes materiais lixeiros en tellados e materiais lixeiros e flexibles, coma tecidos.

Terceira

A terceira xeración de fotoeléctricas é moi diferente dos dispositivos semicondutores anteriores, xa que non se basea na unión p-n tradicional para separar os electróns fotoxerados. Estes novos materiais inclúen células fotoelectroquímicas, células solares poliméricas e células solares nanocristalinas.

Cuarta

A cuarta xeración xunta a tecnoloxía fotoeléctrica co emprego de polímeros e nanopartículas que poden mesturarse para facer unha cama simple multiespectral. Posteriormente amoréanse estas capas finas para facer células solares multiespectrais moito máis eficientes e baratas. A primeira capa converte diferentes tipos de luz, logo hai outra capa que aproveita a luz que a atravesa, e logo aínda hai unha capa para os ultravermellos, convertendo tamén parte da calor do conglomerado en electricidade.

Historia

O termo "fotovoltaico" ven do grego φώς: phos "luz", e "voltaico": eléctrico, do nome do físico italiano Volta, que tamén lle deu nome a unidade de medida voltio.

O efecto fotoeléctrico foi descrito por primeira en 1839 polo físico francés Alexandre-Edmond Becquerel. Pero non foi ata 1883 cando se construíu a primeira célula solar, por Charles Fritts, quen cubriu un selenio semicondutor cunha capa moi fina de ouro para facer as xuntas. O dispositivo só tiña un 1% de eficiencia. Russell Ohl patentou a célula solar moderna en 1946. Sven Ason Berglund xa tiña unha patente anterior acerca dos métodos de incremento da capacidade de células fotosensíbles.

A idade moderna da tecnoloxía de enerxía solar chegou en 1954, cando nos Laboratorios Bell experimentando con semicondutores acharon accidentalmente que o silicio dopado con certas impurezas era moi sensible á luz.

Así chegouse á produción das primeiras células solares prácticas, cunha conversión enerxética dun 6%. Este fito fixo medrar o interese na produción e lanzamento de satélites xeostacionarios para comunicacións, dándolle unha fonte de enerxía viable. Rusia lanzou o primeiro satélite artificial en 1957, e os Estados Unidos o seu en 1958. O satélite ruso Sputnik 3 ("Satélite 3"), lanzado no 15 de maio de 1958, foi o primeiro en empregar placas solares. Foi un desenvolvemento crucial que canalizou fondos de moitos gobernos cara a investigación de células solares máis eficientes.

En 1970 creáronse as primeiras células solares de heteroestrutura de AgAs, feitas por Zhores Alferov e o seu equipo na URSS.

Aplicacións

Artigo principal: Matriz fotovoltaica.

As celas solares a miúdo están conectadas e encapsuladas nun módulo. Os módulos fotovoltaicas acostuman ter unha capa de cristal temperado na cara frontal (cara solar), que permite que a luz chege á cela protexendo as obleas de semicondutor dos elementos (choiva, saraiba etc.). As células solares conéctanse en paralelo e en serie nos paneis, creando unha voltaxe aditiva. As células conectadas en paralelo teñen unha saída de máis intensidade, mentres que en serie aumentan a voltaxe. Os módulos interconéctanse entre si, en serie ou paralelo, creando unha matriz co pico de voltaxe continuo e intensidade requiridas.

A potencia de saída da matriz solar mídese en watios ou kilowatios. Para calcular a enerxía que precisa un aparello utilízase a unidade de watios-hora, kilowatio-hora ou kilowatio-hora diario.

Teoría

Explicación sinxela

Os fotóns da luz solar pegan no panel solar e son absorbidos polos materiais semicondutores, coma o silicio.
Os electróns (carga negativa) son arrincados dos seus átomos, permitindo un fluxo deles no material que produce electricidade. Créanse as cargas complementarias positivas chamadas ocos que flúen na dirección oposta ós electróns.
Unha matriz de paneis solares converten a enerxía solar en electricidade de corrente continua que se pode utilizar directamente.

Opcionalmente:

A corrente continua lévase a un investidor.
O investidor converte a corrente continua en corrente alterna de 120 ou 240 voltios necesaria nos aparellos domésticos.
1. A corrente alterna lévase cara aos automáticos da casa, onde se distribúe cara aos aparellos ou as luces.
2. A electricidade que non se utiliza pode reciclarse e reutilizarse para outros fins.
3. Ou ben, a corrente alterna lévase cara a un contador dobre de entradas saídas, para venderlle á electricidade ó subministrador.

Fotoxeración de transportadores de cargas

Cando un fotón peta nun anaco de silicio, pode pasar unha destas tres cousas:

O fotón atravesa o silicio directamente, normalmente son os fotóns de menor enerxía.
O fotón reflíctese na superficie.
O fotón é absorbido polo silicio, no que:
- Xera calor, ou
- Xera pares electrón-oco, se a enerxía do fotón é maior que o valor de banda prohibida do silicio.

É importante que se o fotón é un múltiplo enteiro da enerxía da banda prohibida pode crear máis dun par electrón-oco. De tódolos xeitos este efecto non é importante nas células solares. A parte de "enteiros múltiples" é resultado da mecánica cuántica e da cuantización da enerxía.

Cando se absorbe un fotón, a súa enerxía pasa a un electrón da capa cristalina. Este electrón está case sempre na banda de valencia, e está fortemente fixado en enlaces covalentes entre os átomos veciños, facendo que sexa imposible que se mova moi lonxe. A enerxía que adquire fai que se "excite" ata a banda condutora, onde é libre para moverse ata calquera punto do semicondutor. O enlace covalente que ocupaba o electrón antes do salto carece agora dun electrón, formando un oco. A presenza dun enlace covalente con oco fai que os electróns dos enlaces de átomos próximos poidan moverse cara ao "oco", deixando un novo oco no sitio do que veñen, e facendo que o oco se desprace polo cristal. Así pode resumirse que os fotóns absorbidos polo semicondutor crean pares electrón-oco móbiles.

Un fotón precisa só ter unha enerxía maior que a da banda prohibida para excitar un electrón dende a capa de valencia ata a banda condutora. A frecuencia do espectro solar aproxímase ó espectro dun corpo negro a ~6000 K, facendo que a maioría da radiación que chega á Terra estea composta por fotóns cunha enerxía maior que a da banda prohibida do silicio. Estes fotóns de alta enerxía serán absorbidos pola célula solar, pero á diferenza de enerxía entre estes fotóns e a banda prohibida do silicio convértese en calor (mediante as vibracións do cristal, chamadas fonóns, antes que en enerxía eléctrica utilizable.

Separación de transportadores de carga

Hai dous modos principais de separación de carga nunha célula solar:

Transporte das cargas, forzado por un campo electrostático que se crea a través do dispositivo.
Difusión das cargas dende zonas de alta concentración de cargas a zonas de baixa concentración, seguindo un gradiente de potencial electroquímico.

Nas células solares de unións p-n máis empregadas, o modo principal de separación de cargas é o transporte. Nas células solares de unións non-p-n (típicas da terceira xeración de células solares, como as células de película e de capa fina), nas que se confirmou que non existe un campo electrostático o modo de separación principal é a difusión das cargas.

Unión p-n

Artigo principal: Semicondutor.

As células solares máis coñecidas son unha unión p-n de grande área feita de silicio. De xeito sinxelo, pode imaxinarse como unha capa de silicio de tipo n en contacto directo cunha capa de silicio de tipo p. Na práctica as unións p-n das células solares non se fan así, senón difundindo un dopante de tipo n sobre unha cara da oblea de tipo p, ou viceversa.

Se se pon unha peza de silicio de tipo p en estreito contacto con outra de tipo n, hai unha difusión de electróns dende a rexión de alta concentración de electróns (a cara de tipo n) cara á rexión de baixa concentración de electróns (a cara de tipo p). Cando os electróns se difunden a través da unión p-n, combínanse cos ocos da cara de tipo p. A difusión de cargas non ocorre indefinidamente, xa que se crea un campo eléctrico polo desequilibrio de cargas inmediatamente a cada lado da unión. Este campo eléctrico crea un díodo que fai que a corrente eléctrica flúa só nun sentido ó atravesar a unión. Os electróns poden pasar da capa tipo n á tipo p, e os ocos poden pasar da cara tipo p á tipo n. Esta rexión onde os electróns flúen a través da unión é a zona de carga espacial e non contén transportadores de carga. Tamén se coñece como "zona esgotada".