EFECTO FOTOVOLTAICO (PV)

DESCRIPCIÓN ATÓMICA DEL SILICIO

Toda la materia está hecha de átomos. Ellos, a su vez, están compuestos por tres tipos de partículas: protones, neutrones y electrones. Los protones (cargados positivamente) y los electrones (cargados negativamente) se atraen entre sí; los neutrones no son atraídos eléctricamente por ninguno de los dos y se dice que son neutros. Los protones con carga positiva y los neutrones neutros residen en un núcleo, en el centro del átomo, empaquetados de forma cerrada. Los electrones, mucho más livianos que los protones y neutrones, orbitan alrededor del núcleo.

Aunque un átomo contiene partículas cargadas, en general es eléctricamente neutro, porque tiene el mismo número de protones y electrones.

Los diferentes átomos tienen diferentes números de protones. Para cada protón en el núcleo de un átomo, hay un electrón que orbita alrededor del núcleo. Las posiciones orbitales (y el movimiento de los electrones alrededor de su propio eje) están determinados por la energía de los electrones. Los electrones, en particular los más alejados del núcleo, interactúan con electrones de otros átomos y determinan la forma en que los átomos iguales o diferentes se combinan en estructuras más grandes como los sólidos. El átomo de silicio tiene catorce electrones dispuestos de tal manera que los cuatro exteriores pueden ser dados, aceptados, o compartidos con otro átomo. Estos cuatro electrones externos se llaman electrones de valencia.

Un gran número de átomos de silicio, a través de sus electrones de valencia, pueden unirse para formar un sólido. Como un sólido, cada átomo de silicio por lo general comparte cada uno de sus cuatro electrones de valencia con otro átomo de silicio. Cada unidad básica de silicio, formando una disposición tetraédrica, contiene por lo tanto cinco átomos (el átomo de silicio más los otros cuatro con los que comparte electrones). Cada átomo en el sólido de silicio se mantiene en su lugar a una distancia y ángulo fijos con cada uno de los átomos con los que comparte un enlace. Esta formación fija y regular de los átomos de un sólido se denomina red cristalina, o simplemente cristal.

Los sólidos pueden formarse a partir de varias redes cristalinas de forma diferente. Para el cristal de silicio (Figura 1), los átomos se localizan de manera que ocupan el centro y los vértices de un cubo con átomos individuales centrados en cada uno de ellos. La disposición cúbica se repite a través del cristal.

Fig.1 – Representación del cristal de silicio. Los 5 átomos de la unidad básica

cúbica, están señalados con números del 1 al 5. Cada uno de los dos segmentos

que representan el enlace entre dos átomos, incluye un electrón compartido

por cada uno de los dos átomos.

Si la célula fotovoltaica está formada por un único cristal de silicio, se dice que es monocristalina y si está formada por varios cristales, se dice que es policristalina. (Fig.2)

Fig.2 – Célula de silcio policristalina

EL EFECTO DE LA LUZ SOBRE EL SILICIO

Cuando la luz incide sobre un cristal de silicio, puede ser reflejada, absorbida, o puede pasar a través de él. Concentrémonos en la luz que se absorbe. Normalmente, cuando la luz con una energía relativamente baja es absorbida por un sólido, crea calor sin alterar las propiedades eléctricas del material. Es decir, la luz de baja energía que incide sobre un cristal de silicio hace que los átomos de silicio vibren y giren en sus posiciones en los enlaces, pero no se sueltan. De manera similar, los electrones de los enlaces también ganan más energía y se dice que alcanzan un nivel de energía más alto. Dado que estos niveles de energía no son estables, los electrones pronto regresan a sus niveles de energía inferiores originales, emitiendo como calor la energía que habían ganado. La luz de una mayor energía puede alterar las propiedades eléctricas del cristal. Si tal luz incide sobre un electrón de un enlace, el electrón es arrancado de su lugar en el cristal. Esto deja atrás un enlace de silicio al que le falta un electrón y libera un electrón para moverse en el cristal. Un enlace al que le falta un electrón, se dice que tiene un hueco. Se dice que un electrón libre para moverse dentro del cristal está en la banda de conducción del cristal (Figura 3), porque los electrones libres son los medios por los cuales fluye la electricidad. Tanto los electrones de la banda de conducción, como los huecos, juegan un papel importante en el comportamiento eléctrico de las células fotovoltaicas. Electrones y huecos liberados de sus posiciones en el cristal de esta manera, se dice que son pares electrón-hueco generados por luz. Un hueco en un cristal de silicio puede, como un electrón libre, moverse dentro del cristal. El medio por el cual se mueve el hueco es como sigue: Un electrón de un enlace cerca de un hueco puede saltar fácilmente al hueco, dejando atrás un enlace incompleto, es decir, un hueco nuevo. Entonces se puede decir que el viejo hueco, ahora neutralizado por el electrón, “se ha movido” hacia el nuevo hueco producido por la ida del electrón del enlace. Esto ocurre con rapidez y con frecuencia, los electrones de los enlaces cercanos negocian posiciones con huecos, enviando huecos de forma aleatoria y errática a través del sólido. Cuanto más alta es la temperatura del material, más agitados serán los electrones y los huecos y más se mueven. La generación de electrones y huecos por la luz es central en el efecto PV total, pero esto no produce por si mismo una corriente eléctrica. Si no hubiera ningún otro mecanismo involucrado en una célula solar, los electrones generados por la luz y los huecos se moverían en el cristal de forma errática durante un tiempo y luego perderían su energía térmicamente volviendo a las posiciones de valencia. Para aprovechar los electrones y los huecos para producir una fuerza electromotriz  y una corriente, se necesita otro mecanismo: una barrera de "potencial" incorporada.

* La barrera se denomina de "potencial" porque es un fenómeno eléctrico, que tiene que ver con la cantidad de energía que una partícula (electrón o hueco) podría "potencialmente" ganar si esa partícula encuentra la barrera y se acelera.

Fig.3 – Representación esquemática de un cristal de silicio y

el efecto de la luz sobre él, liberando un electrón de un enlace

y produciendo un hueco.

LA BARRERA POTENCIAL

La función de la barrera

Una célula fotovoltaica contiene una barrera que está configurada por cargas eléctricas opuestas enfrentadas entre sí a ambos lados de una línea divisoria. Esta barrera de potencial separa selectivamente los electrones y los huecos generados por la luz, enviando más electrones a un lado de la célula, y más huecos a la otra. Así separados, los electrones y los huecos, es menos probable que se junten y pierdan su energía eléctrica. Esta separación de carga establece una diferencia de potencial entre los extremos de la célula, que se puede utilizar para impulsar una corriente eléctrica en un circuito externo.

Formación de la barrera

Hay varias maneras de formar una barrera de potencial en una célula solar. Una es alterar ligeramente el cristal, de modo que su estructura a cada lado de la línea divisoria sea diferente.

 El dopante donante - portador negativo

Como se ha indicado anteriormente, el silicio tiene cuatro electrones de valencia, todos los cuales son normalmente parte de enlaces en un cristal de silicio. Supongamos que por algún medio introducimos una impureza en un cristal de silicio puro, sustituyendo un átomo de silicio por un átomo como el fósforo, que tiene cinco electrones de valencia. El átomo de impureza ocuparía la misma posición en el cristal que un átomo de silicio normal, suministrando un electrón para cada uno de los cuatro enlaces de silicio. Pero debido a que el átomo de fósforo tiene un electrón de valencia extra, habría un electrón sin ningún enlace que compartir (Figura 4).

Fig.4 – Cuando un átomo de impureza, tal como el fósforo con 5 electrones de

valencia, sustituye a un átomo dentro de un cristal de silicio, este tiene un electrón

extra que no forma parte de ningún enlace

 Comparado con un electrón de enlace, el electrón extra del átomo de impureza es relativamente libre. De hecho, a temperatura ambiente hay suficiente energía térmica en el cristal para sacudir este electrón suelto, a pesar de que dejaría detrás a un átomo de impureza cargado positivamente. * Este electrón libre de la impureza no tiene hueco en el cual puede caer fácilmente, y se comporta como si fuera un miembro permanente de la banda de conducción del cristal, siempre dispuesto a ser parte de una corriente eléctrica. Un cristal de silicio con numerosos átomos de fósforo sustituidos tendría muchos electrones libres de la banda de conducción y un número similar de iones de impureza positivos bloqueados en la estructura del cristal (ya que a los átomos de fósforo les estará faltando el electrón libre). Pero en conjunto, el cristal entero permanecería neutro, puesto que hay apenas tantos iones positivos como electrones libres; pero las propiedades eléctricas del cristal se habrían alterado drásticamente. Las impurezas introducidas de esta manera se llaman dopantes y los dopantes que tienen un electrón de valencia extra (como el fósforo introducido en un cristal de silicio) se llaman donantes porque donan un electrón al cristal. Dicho cristal dopado con donantes se conoce como tipo-N porque tiene cargas negativas libres. Alterar el silicio mediante la introducción de un dopante donante es parte del proceso utilizado para producir la barrera potencial interna. Pero el silicio de tipo-N no puede por sí mismo formar la barrera. Otro silicio ligeramente alterado es también necesario, este tipo con propiedades eléctricas opuestas a las del silicio de tipo-N.  

El dopante aceptor -  portador positivo  

Un material adecuadamente alterado se puede formar sustituyendo átomos del interior del cristal de silicio por átomos de impurezas con un electrón de valencia menos que el silicio. Un átomo de impureza con tres electrones de valencia (como el boro) se ubicaría en la posición del átomo de silicio original, pero uno de sus enlaces con el silicio estaría perdiendo un electrón, es decir, habría un hueco (Figura 5).

Fig.5 – Una mpureza con tres electrones de valencia (tal como el boro)

en un cristal de silicio es normalmente enlazado, pero a uno de sus

enlaces le falta un electrón, es un hueco.

Como vimos antes, los huecos pueden moverse casi tan libremente como los electrones de la banda de conducción. De esta manera, un cristal de silicio dopado con muchos de tales átomos de boro tiene muchos huecos que actúan como si fueran cargas positivas libres que se mueven por toda la red cristalina. Una impureza de tres electrones de valencia en un cristal de silicio se llama aceptor porque sus huecos aceptan electrones (electrones de valencia normalmente enlazados o electrones de banda de conducción) del resto del cristal de silicio. Un material de silicio dopado por aceptor se denomina tipo-P debido a la presencia de cargas positivas libres (los huecos móviles). En un material de tipo-P, las cargas positivas son llamadas portadores mayorítarios (de carga) porque superan en mucho a los electrones libres, que en los materiales de tipo-P se denominan portadores minoritarios. En un material de tipo-N, donde el dopaje se invierte, los electrones (cargas negativas) son los portadores mayoritarios y los huecos son los portadores minoritarios.

La Juntura

Una línea que divide el silicio tipo-N del silicio tipo-P establece la posición de una barrera de potencial esencial para el funcionamiento de una célula solar. Para ver cómo se forma esta barrera, echemos un vistazo a la juntura entre los dos materiales (el área en la proximidad inmediata de las dos superficies). En el material  tipo-P, hay exceso de huecos y en el material  tipo-N, un exceso de electrones (Fig.6a).

Fig.6 - a

Cuando los materiales tipo-N y tipo-P estén en contacto, los electrones libres en el material tipo-N, cercanos a los muchos huecos en el material tipo -P en la juntura, saltarán hacia adentro del material  tipo-P, llenando los huecos. Además, los electrones de valencia de los enlaces en el lado tipo-N pueden también saltar a huecos en el lado de tipo-P adyacente, lo cual es equivalente a un hueco que se mueve hacia el material tipo-N (por simplicidad, esto no se muestra en la Figura 6).

Fig. 6 - b

 Este proceso de transferencia de carga ocurre rápidamente a lo largo de la juntura, enviando enormes cantidades de electrones al lado tipo-P y  huecos al lado tipo-N (Figura 6b).

Fig.6 - c

Esto provoca un desequilibrio inmediato de la carga: más cargas negativas (electrones extra) a lo largo del lado tipo-P de la juntura, más cargas positivas (iones) a lo largo del lado tipo-N (Figura 6c). Cuando los electrones se mueven hacia el material tipo-P durante la formación de la juntura, encuentran huecos en los enlaces de silicio y caen en ellos. De manera similar, los huecos que se transfieren al lado tipo-N se llenan rápidamente por los numerosos electrones adicionales del lado tipo -N. En consecuencia, los portadores que forman la juntura pierden su libertad de movimiento. Por lo tanto, aunque existe un desequilibrio de carga en la juntura, hay muy pocos electrones libres en el lado de silicio tipo-P que se devuelven al lado  tipo-N, y muy pocos huecos libres en el lado de tipo n para ser transferidos de nuevo al material de tipo p. Por lo tanto, el desequilibrio de carga permanece fijo en su lugar.

La barrera.

El proceso de cargas que se mueven a través de la juntura para crear un desequilibrio de carga de la manera descrita anteriormente no continúa indefinidamente. Los portadores cargados que ya han cruzado la juntura establecen un campo eléctrico, que actúa como una barrera que se opone al flujo adicional de los portadores libres. A medida que más portadores cruzan la unión, la barrera se agranda, haciéndo cada vez más difícil que otros portadores puedan cruzar. Eventualmente, se establece un equilibrio donde (estadísticamente hablando) no más electrones o huecos cambiarán de lado. Esto crea una barrera de potencial fija en la juntura (la barrera a la que nos hemos referido desde el principio), con el lado tipo – N adyacente a la juntura cargado positivamente y el lado tipo-P adyacente a la juntura, cargado negativamente. Esto también se puede visualizar, pensando que los electrones acumulados en el lado-P repelerán a nuevos electrones que intenten cruzar al lado-P y que los huecos acumulados del lado-N repelerán a los huecos que intenten cruzar al lado-N. Debe notarse que la "altura" de la barrera (es decir, la fuerza de repulsión del campo eléctrico) depende de la cantidad de dopante en el silicio. Cuanto más dopante, más desequilibrio de carga induce y mayor es la capacidad de la barrera para separar cargas. Resumiendo, la barrera se opone al cruce de los portadores de carga mayoritarios. Es decir, los electrones en el material  tipo-N tendrían que subir la barrera contra el campo  para introducirse en el material tipo - P. De forma similar, los huecos en la región tipo-P se mantienen impedidos de entrar en la región  tipo-N. Obsérvese también que los portadores minoritarios no se ven obstaculizados por la barrera. De hecho, los electrones libres en el lado tipo-P, de los cuales hay muy pocos, siendo el portador minoritario allí, son accionados por el campo de la juntura al lado opuesto  tipo-N. Lo mismo ocurre con los huecos accionados desde el lado tipo-N. Pero normalmente (sin iluminación) hay tan pocos portadores minoritarios en sus respectivos lados, que su movimiento es nulo; y los que hay, son neutralizados por los pocos portadores mayoritarios que aleatoriamente asumen suficiente energía para cruzar la barrera. Esta barrera selectiva en la juntura es el medio de separar las cargas durante la generación de huecos de electrones bajo iluminación. Es la clave para la producción de una corriente eléctrica fotovoltaica.

La Barrera de potencial en acción

A fines ilustrativos, supongamos que la luz que incide sobre la célula fotovoltaica tiene suficiente energía como para liberar un electrón de enlace en el cristal de silicio. Esto crea un par electrón-hueco, un electrón libre y un hueco libre. Supongamos además que el par electrón-hueco se genera del lado del silicio tipo-P de la juntura. Un electrón de un par electrón-hueco tiene sólo un tiempo relativamente corto durante el cual es libre, porque es muy probable que se combine con uno de los numerosos huecos en el lado tipo-P. Pero las células solares están diseñadas para que, con toda probabilidad, el electrón deambulando alrededor del cristal  encuentre la juntura antes de que tenga la oportunidad de combinarse con un hueco. (Si se combinara con un hueco, perdería su energía como calor y sería inútil en lo que respecta a la corriente eléctrica fotovoltaica). Una vez que el electrón libre esté dentro del campo de la juntura (que se limita a la vecindad inmediata de la juntura), el electrón es acelerado a través de la barrera (por el desequilibrio de carga de la barrera) en el silicio tipo-N. Puesto que hay muy pocos huecos en el lado tipo-N de la juntura, el electrón ya no está en gran peligro de recombinación. Además, hay muy pocas posibilidades de que regrese al lado del tipo-p porque tendría que resistir la repulsión del campo de la juntura (subir la barrera), gastando energía que usualmente no tiene. El hueco socio de este par electrón-hueco, sin embargo, permanece en el lado tipo-P de la juntura porque es repelido por la barrera en la juntura. No está en peligro de recombinación porque ya hay un predominio de huecos en el lado tipo-P.

Una situación similar ocurre cuando los pares electrón-hueco son generados por la luz en el lado tipo-N de la juntura. Esta vez los electrones liberados permanecen en el lado tipo-N, siendo repelidos por la barrera. Mientras tanto, la mayoría de los huecos encuentran la juntura antes de tener chance de recombinarse. Cruzan la juntura hacia el lado tipo-P mientra que los electrones normalmente enlazados en el lado tipo-P saltaban la juntura y llenan los huecos del lado tipo-N. Una vez en el lado tipo-P, los huecos se mueven sin obstáculos, y hay muy pocos electrones libres disponibles para llenarlos. Debido a que la iluminación y la separación de carga causan la presencia de cargas negativas excesivas no combinadas en el lado tipo-N y huecos en exceso en el lado tipo-P, existe un desequilibrio de carga en la célula.

LA CORRIENTE ELÉCTRICA

Si conectamos el lado tipo-N al lado tipo-P de la celula por medio de un circuito eléctrico externo, la corriente fluye a través del circuito (que responde como si fuera alimentado por una batería) porque esto reduce el desequilibrio de carga inducido por la luz en él. Las cargas negativas fluyen fuera del electrodo en el lado tipo-N, a través de una carga (tal como una lámpara incandescente), y realizan un trabajo útil en esa carga (tal como calentar el filamento de la lámpara incandescente para que ilumine).  Los electrones entonces fluyen hacia el lado  tipo-P, donde se recombinan con huecos cerca del electrodo (Figura 7). La energía de la luz incidente, originalmente absorbida por los electrones, es usada por los electrones para alimentar el circuito externo. Entonces  se mantiene un equilibrio: La luz crea continuamente más pares electrón-hueco y, por lo tanto, más desequilibrio de carga, el desequilibrio de carga es aliviado por la corriente, que cede la energía para la realización de trabajo.

La cantidad de luz incidente en la célula crea una cantidad casi proporcional de corriente. La cantidad de energía que se necesita para elevar un electrón a la banda de conducción es la cantidad de energía que la luz suministra originalmente al electrón y es, por tanto, el máximo que puede recuperarse del electrón en el circuito externo. Hemos observado todas las condiciones necesarias para que la corriente fluya: luz incidente para liberar los portadores de carga, una barrera para acelerar los portadores a través de la juntura y mantenerlos en extremos opuestos de la célula, y un desequilibrio de carga para impulsar una corriente (portadores cargados) a través de un circuito.

Fig.7 – La corriente eléctrica generada por la luz en la célula fotovoltaica

 Resumen: las células fotovoltaicas se basan en unir un material tipo-N, con el mismo material tipo-P. Al hacerlo se produce una barrera de potencial en la juntura, que hace que los pares electrón –hueco producidos por la luz, se separen en el cristal, sin posibilidades de recombinarse porque la barrera se lo impide. Cuando incide la luz, produce pares electrón- hueco que va generando electrones libres que pasan al lado-N y huecos que pasan al lado-P, quedando en ambos casos como portadores libres en su lado respectivo sin poder pasar al otro lado y neutralizarse. Al unir ambos lados por medio de un circuito externo con una carga, los electrones libres encuentran un camino libre de barreras que les permite circular por el circuito, atraídos por los huecos del lado-P y recién ahí pueden recombinarse. De este modo entregan energía a la carga del circuito externo. Todos los electrones que circulan por la carga son los liberados por la energía de la luz incidente.

Referencias:

http://www.nrel.gov/docs/legosti/old/1448.pdf  

http://www.areatecnologia.com/electronica/union-pn.html