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Efecto fotovoltaico. ¿Qué es?

Efecto fotovoltaico. ¿Qué es?

El efecto fotovoltaico es el efecto fotoeléctrico caracterizado por la producción de una corriente eléctrica entre dos piezas de material diferente que están en contacto y expuestas a la luz o, en general, a una radiación electromagnética.

Este efecto fotovoltaico constituye el principio de las células fotovoltaicas y es, lo tanto, fundamental para la producción de electricidad mendiante energía solar.

Características del efecto fotovoltaico

Los materiales semiconductores (como el silicio) tienen la particularidad de presentar un comportamiento diferente ante la electricidad. El comportamiento de los semiconductores depende de si una fuente energética externa los excita o no. Esta fuente energética sería la radiación solar.

¿Cómo se produce el efecto fotovoltaico?

El efecto fotovoltaico se inicia en el momento en el que un fotón impacta con un electrón de la última órbita de un átomo de silicio. Éste último electrón se llama electrón de valendia y recibe la energía con la que viajaba el fotón. el fotón no es otra cosa que una partícula de luz radiante.

Si la energía que adquiere el electrón supera la fuerza de atracción del núcleo (energía de valencia), este sale de su órbita y queda libre del átomo y, por tanto, puede viajar a través del material. En este momento, diríamos que el silicio se ha hecho conductor (banda de conducción) y, para hacer esto, hace falta que la fuerza de impacto de un fotón sea, como mínimo, de 1,2 eV.

efecto fotovoltaicoCada electrón liberado deja atrás un agujero, o espacio libre, hasta que lo ocupe un electrón que ha saltado de otro átomo. Estos movimientos de los electrones liberados o de los espacios que dejan atrás es lo que se llaman cargas eléctricas.

Esta corriente de cargas puede alcanzar los contactos y salir del material con el fin de realizar un trabajo útil. Para que esto suceda de manera constante y regular, es necesario que exista la presencia de un campo eléctrico de polaridad constante. Este campo polariza las partículas y actúa como una verdadera bomba que impulsa los electrones en un sentido y, los hoyos, en el opuesto.

En las células solares convencionales, el campo eléctrico (0,5 V) se forma gracias a una unión P-N, es decir, una zona del material tiene exceso de electrones (carga negativa), mientras que la otra tiene carencia de ellos (carga positiva), de modo que al ser liberado un electrón es impulsado a través del material hasta los conductos de plata, de baja resistividad.

 

Si la energía que adquiere el electrón supera la fuerza de atracción del núcleo (energía de valencia), este sale de su órbita y queda libre del átomo y, por tanto, puede viajar a través del material. En este momento, diríamos que el silicio se ha hecho conductor (banda de conducción) y, para hacer esto, hace falta que la fuerza de impacto de un fotón sea, como mínimo, de 1,2 eV.

Importancia de los fotones en el efecto fotovoltaico

Los fotones correspondientes a longitudes de onda pequeñas (radiación ultravioleta) son más energéticos (de 2 a 3 electronvoltios) que los correspondientes a longitudes de onda mayores (radiación infrarroja).

Cada material semiconductor tiene una energía mínima que permite liberar electrones de sus átomos. Esta energía corresponderá a fotones de una determinada banda de frecuencias (gap) que irá desde los asociados a la ultravioleta hasta los colores visibles, salvo del rojo que ya tiene una energía asociada inferior de los 1,2 electronvoltios.

No todos los fotones alcanzan el objetivo de separar electrones. Esto se debe a que atravesar el material implica siempre una cierta pérdida energética. Esta pérdida energética implica que en el momento de la colisión algunos fotones ya han perdido la demasiada energía para desplazar un electrón. Estas pérdidas por no-absorción sólo dependen de las propiedades del material y son inevitables.

Asimismo, hay un porcentaje de fotones que llegan a atravesar la lámina de semiconductor sin toparse con ningún electrón y de otros que iluminan la superficie del material y son reflejados (pérdidas por reflexión). Estas pérdidas se pueden reducir a través de tratamientos anti reflejos de la superficie de la célula fotovoltaica. En estos casos no se produciría el efecto fotovoltaico.

Sólo se consigue la generación de un par electrón-hueco por cada fotón con energía cinética superior a la mínima energía (gap) que logre penetrar en el material y tope con un electrón de valencia.

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Última revisión: 13 de abril de 2017

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