Energía solar - Efecto fotovoltaico
Es esencial que tengamos algunos conocimientos básicos de las uniones PN antes de pasar a aprender el concepto de efecto fotovoltaico.
El cruce PN
El PN Junction fue inventado por Russell de los laboratorios Bell en los EE. UU. Se refiere a una unión entre dos semiconductores, es decir, tipo P y tipo N. Russell descubrió que los dos semiconductores tienen un comportamiento interesante en la unión que provoca la conducción en una sola dirección.
Un semiconductor de tipo P tiene agujeros (ausencia de electrones) como portadores de carga mayoritarios. Un semiconductor de tipo N tiene electrones como portadores de carga mayoritarios.
En el diagrama dado arriba, en el cruce -
Las cargas adicionales se difunden a través de las uniones opuestas, de modo que las positivas en el lado p obtienen cargas negativas y las neutralizan.
De manera similar, los negativos en el lado N obtienen cargas positivas y las neutralizan.
Esto forma un margen (m) a cada lado donde la carga adicional se agota para hacer esta región neutral y en un estado de equilibrio. Esta región se conoce comodepletion layer y ningún cargo de ninguno de los lados cruza.
La capa de agotamiento ofrece una barrera potencial y, por lo tanto, requiere voltaje externo para superarla. Este proceso se llamabiasing.
Para llevar a cabo, en forward biasing, el voltaje aplicado debe bombear electrones (negativos) desde la unión n hacia el lado p de la unión. El flujo continuo de corriente garantiza un movimiento constante de electrones para llenar los huecos, por lo tanto, la conducción a través de la capa de agotamiento.
Invertir el voltaje aplicado, en un proceso llamado reverse biasing, hace que los huecos y los electrones se separen, aumentando la capa de agotamiento.
Una carga externa está conectada a una celda solar con un terminal positivo conectado a las obleas del lado N y el terminal negativo a las obleas del lado P. Una diferencia de potencial es creada porphotovoltaic efecto.
La corriente obtenida por los electrones desplazados por los fotones no es suficiente para dar una diferencia de potencial significativa. Por tanto, la corriente está contenida para provocar más colisiones y liberar más electrones.
Efecto fotovoltaico
Una celda solar utiliza el concepto de unión pn para capturar la energía solar. La siguiente figura muestra el nivel de fermi de un semiconductor.
Para que un semiconductor conduzca, los electrones deben cruzar la brecha de energía desde la banda de valencia hasta la banda de conducción. Estos electrones requieren algo de energía para desprenderse y moverse a través de la brecha de valencia. En las células solares, los fotones emitidos por el Sol proporcionan la energía necesaria para superar la brecha.
Un fotón incidente en la superficie podría absorberse, reflejarse o transmitirse. Si se refleja o se transmite, no ayuda a desalojar un electrón y, por lo tanto, se desperdicia. Por lo tanto, se debe absorber un fotón para proporcionar la energía necesaria para desalojar y mover electrones a través del espacio de valencia.
Si E ph es la energía de un fotón y EG es la energía umbral para cruzar la brecha de energía, entonces los posibles resultados, cuando el fotón golpea la superficie de un semiconductor son:
Eph < EG - En este caso, el fotón no alcanza el umbral y simplemente lo atravesará.
Eph = EG - El fotón tiene el umbral exacto para desalojar un electrón y crear un par de electrones huecos.
Eph > EG- La energía de los fotones supera el umbral. Esto crea un par electrón-hueco, aunque es un desperdicio, ya que el electrón retrocede por el espacio de energía.
Absorción de radiación solar
En la mayoría de los casos, el coeficiente de absorción del semiconductor se utiliza para determinar la eficiencia de absorción de energía del sol. Coeficiente bajo significa absorción deficiente. Por lo tanto, qué tan lejos llega un fotón es un factor tanto del coeficiente de absorción ( α ) como de la longitud de onda de la radiación ( λ ).
$$ \ alpha \: = \: \ frac {4 \ pi k} {\ lambda} $$
Donde, k es el coeficiente de extinción.