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Celda fotovoltaica, ¿Qué son y como funcionan las células fotoeléctricas?

En electrónica, una celda fotovoltaica - o celda solar - es un dispositivo eléctrico que convierte la energía incidente de la radiación solar en electricidad a través del efecto fotovoltaico. Por lo tanto, las celdas solares son la base de los sistemas fotovoltaicos para transformar la energía solar en energía eléctrica.

Celda fotovoltaica, ¿Qué son y como funcionan las células fotoeléctricas?

Los compuestos de un material que presenta efecto fotoeléctrico absorben fotones de la luz y emiten electrones. Cuando estos electrones libres son capturados, el resultado es una corriente eléctrica que puede ser utilizada como electricidad.

Los paneles fotovoltaicos están compuestos por varios grupos de células fotoeléctricas conectadas entre sí. Cada grupo de celdas fotovoltaicas forman una red de células fotovoltaicas conectadas en circuito eléctrico en serie para aumentar el voltaje de salida. Al mismo tiempo, también se conectan varias redes en circuito en paralelo para aumentar la intensidad de la corriente eléctrica que es capaz de proporcionar el dispositivo.

El tipo de corriente eléctrica que proporcionan las placas fotovoltaicas es corriente continua.

¿Cómo es una celda fotovoltaica?

Las celdas solares más habituales están formadas por una capa de silicio cristalino de un espesor aproximado de 0,3 mm. El proceso de elaboración es de un nivel sofisticado y delicado para poder conseguir una homogeneidad del material.

El silicio es actualmente el material más utilizado en la creación de nuevas células fotovoltaicas. Este material, que es el compuesto químico más abundante que se encuentra en la corteza de la Tierra, se obtiene mediante la reducción de sílice. El primer paso es crear silicio metalúrgico, 98% puro, a partir de piedras de cuarzo derivadas de una veta mineral (la técnica de creación no tiene nada que ver con la arena).

El silicio de calidad fotovoltaica debe ser transparente hasta alcanzar el 99,999%. Para obtener esta cantidad de pureza, el silicio debe destilarse en un compuesto químico especial. Este compuesto especial vuelve a convertir el destilado en silicio.

Las zonas positivas y negativas de la celda solar

El campo eléctrico se genera a partir de la diferente polarización de dos zonas de la celda fotovoltaica. Generalmente, la parte superior tiene una carga negativa y el resto tiene carga positiva para crear la unión P-N.

La zona P (zona positiva o ánodo receptor) es una zona a la que le faltan electrones y que, por lo tanto, tiene carga positiva. Generalmente, esta configuración se consigue añadiendo al silicio puro una pequeña parte de boro que solo tiene 3 electrones de valencia.

La zona N (zona negativa o cátodo o emisor) tiene exceso de electrones. Generalmente, esta zona está formada por la difusión de fósforo que tiene 5 electrones en la última órbita.

Debido a esta diferencia de carga eléctrica en el material semiconductor, se produce el campo eléctrico encargado de empujar los electrones de la capa N a la capa P.

La eficiencia de conversión media obtenida por las celdas solares fotovoltaicas disponibles comercialmente producidas a partir de silicio monocristalino es inferior a la de las células multicapa, normalmente de arseniuro de galio.

Actualmente hay también nuevas tecnologías en la producción de paneles solares que no utilizan el silicio.

¿Cómo funciona una celda fotovoltaica?

Si conectamos una celda solar fotovoltaica a un circuito eléctrico con una resistencia (consumo) y al mismo tiempo recibe radiación solar, se producirá una diferencia de potencial eléctrico entre sus contactos. Este voltaje provocará la circulación de los electrones a través de la carga.

En estas condiciones, la célula fotoeléctrica funciona como un generador de corriente.

La luz está compuesta por fotones que tienen una cierta energía. Cuando la luz incide sobre la celda solar, los fotones inciden sobre los electrones de la capa N. Si un electrón absorbe la energía de un fotón con energía suficiente, el electrón es arrancado del material dejando un espacio libre que ocupará otro electrón. Este movimiento de electrones implica una corriente eléctrica.

Podemos decir que la corriente generada por una célula solar fotovoltaica iluminada y conectada a una carga es el resto entre su capacidad de producción bruta y las pérdidas por recombinación entre electrones y fotones.

¿Para qué sirven las celdas solares fotovoltaicas?

Las celdas fotovoltaicas se utilizan a veces solas (iluminación de jardín, calculadoras, ...) o agrupadas en paneles solares fotovoltaicos. De esta forma se genera electricidad a través de esta fuente de energía renovable.

Las células fotovoltaicas son los componentes básicos de los módulos fotovoltaicos, que son los paneles solares capaces de generar energía eléctrica a partir de la radiación solar. Es, por lo tanto, el elemento básico esencial para este tipo de energía renovable.

Un panel solarfotovoltaico consiste en una red de células solares conectadas en circuito en serie para aumentar la tensión de salida. A la vez, se conectan varias redes en circuito en paralelo para aumentar la corriente eléctrica que es capaz de proporcionar el dispositivo.

El tipo de corriente eléctrica que proporciona un panel fotovoltaico es corriente continua.

Las células fotoeléctricas también se utilizan para reemplazar las baterías en aplicaciones como calculadoras, relojes, aparatos, que pueden funcionar con energía solar.

Es posible aumentar su rango de utilización almacenando energía mediante un condensador o una celda galvánica (batería). Cuando se utiliza con un dispositivo para almacenar energía, hay que colocar un diodo en serie para evitar la descarga del sistema durante la noche.

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Fecha publicación: 18 de febrero de 2016
Última revisión: 14 de octubre de 2021