EL ÁTOMO: En esencia la constitución del átomo, refiriéndonos a su aspecto
eléctrico, consta de un determinado numero de protones con carga positiva en el
núcleo y una cantidad igual de electrones, con carga negativa, girando en
diferentes órbitas del espacio, denominada envoluta.
El número máximo de
electrones que se pueden alojar en cada órbita es de 2n2, siendo "n"
el número de órbitas.
Los electrones giran en órbitas casi elípticas, en
cada una de las cuales y según su proximidad al núcleo, solo pueden existir un
numero máximo de electrones.
Atendiendo a la carga eléctrica como
inicialmente mencionábamos, los átomos, se pueden clasificar en positivos,
negativos y neutros.
Los átomos de elementos simples, cuando están
completas sus órbitas son neutros, hay igual cantidad de electrones que de
protones; pero dado que los electrones de la última órbita son los más alejados
del núcleo y por tanto, perciben menos su fuerza de atracción, pueden salirse de
dicha órbita denominada de valencia, dejando al átomo cargado positivamente por
contener más protones que electrones, si por el contrario en el último orbital
del átomo hubiese alojado un electrón libre exterior al átomo habría adquirido
carga negativa, a estas dos situaciones se les denomina iones.
ÁTOMOS ESTABLES E INESTABLES: Se
llama átomo estable al que tiene completa de electrones su última órbita o al
menos dispone en ella de ocho electrones. Los átomos inestables, que son los que
no tienen llena su órbita de valencia ni tampoco ocho electrones en ella, tienen
una gran propensión a convertirse en estables, bien desprendiéndose de los
electrones de valencia o bien absorbiendo del exterior electrones libres hasta
completar la última órbita; en cada caso realizaran lo que menos energía
suponga.
CUERPOS CONDUCTORES Y
AISLANTES: Los cuerpos conductores son aquellos cuyos
átomos permiten fácilmente el paso de electrones a su través. Un buen ejemplo de
conductor es el Cobre (Cu) que dispone de un electrón inestable en su cuarta
órbita con una gran tendencia a desprenderse.
CUERPOS SEMICONDUCTORES INTRINSECOS: Mientras
que los cuerpos buenos conductores ofrecen escasa resistencia al paso de
electrones, los aislantes la ofrecen elevadísima, y entre ambos extremos, se
encuentran los semiconductores que presentan una resistencia
intermedia.
Un ejemplo de elemento semiconductor es el Silicio (Si), la
característica fundamental de los cuerpos semiconductores es la de poseer cuatro
electrones en su órbita de valencia. Con esta estructura el átomo es inestable,
pero para hacerse estable se le presenta un dilema: y es que le cuesta lo mismo
desprenderse de cuatro electrones y quedarse sin una órbita, que absorber otros
cuatro electrones para hacerse estable al pasara tener ocho electrones. En estas
especiales circunstancias, ciertos elementos como el Silicio y el Germanio (Ge)
agrupan sus átomos de manera muy particular, formando una estructura reticular
en la que cada átomo queda rodeado por otros cuatro iguales, propiciando la
formación de los llamados enlaces
covalentes. En estas circunstancias, la estructura de los
cuerpos semiconductores, al estabilizarse, debería trabajar como buen aislante,
pero no es así a causa de la temperatura. Canto mayor es la temperatura aumenta
la agitación de los electrones y por consiguiente enlaces covalentes rotos,
dando lugar a electrones libres y huecos (falta de
electrón).
SEMICONDUCTORES
EXTRÍNSECOS: Comoquiera que las corrientes que se producen
en el seno de un semiconductor intrínseco a la temperara ambiente son
insignificantes, dado el bajo valor de portadores libres, para aumentarlos se
les añaden otro cuerpos, que se denominan impurezas. De esta forma es como se
obtienen los semiconductores extrínsecos tan importantes en la energía solar
fotovoltaica.
Estructura Cristalina
del Si
Cortesía de wie@acsu.buffalo.edu
(c) Copyright
C.R.Wie
1997-1998.
Felicitaciones a los 20 semifinalistas de ACCIONJOVEN 2012
Agradecemos a todos los postulantes al premio ACCIONJOVEN 2012 por su participación y motivación en aportar al desarrollo de nuestro país.
Los 20 semifinalistas de este año son:
1. Mauricio Aguayo Palacios, “Organización Búsqueda y Rescate Urbano”. Arica.
2. Olga Durán Pinto, “Programa de Voluntariado Cuenta Conmigo APADIF”. Coquimbo.
3. Pilar Aguirre Rojas, “Tierra y Valle de los Niños”. Coquimbo
4. Cristián Duran Veri Veri, “Granja Integral Educativa Mana Nui”. Valparaíso.
5. Ingrid Maureira Solís, “CIMU, Centro de Integración Multicultural: un punto de encuentro y cooperación para migrantes”. Valparaíso.
6. María Belén Guerrero Vega, “Rucalhue para construir una vida nueva”. Valparaíso
7. Álvaro Gatica Salas, “Recicleta”. Matropolitana.
8. Claudia Barriga Carrera, “Huertos Urbanos Sociales”. Metropolitana.
9. Daniel Rivera Muñoz, “Centro de las Artes Circomedia Chile”- Metropolitana.
10. Diego Villarroel García, “RED-APIS Un proyecto de inclusión en educación para personas con discapacidad auditiva”. Metropolitana.
11. Guillermo Barros Subercaseaux, “Fundación por una Carrera”. Metropolitana.
12. Nicolás Morales Donoso, “Pegas Con Sentido”. Metropolitana.
13. Pablo David Alvéstegui, “A-dedo”. Metropolitana.
14. Rodrigo Aguirre Zaldívar, “Creando a través de señas”. Metropolitana.
15. Sebastián Ignacio Chacón Torrealba, “ONG Psicólogos Voluntarios de Chile”. Metropolitana.
16. Guillermo Pérez, “Festival Internacional de Cine de Rengo”. Libertador Bernardo O´Higgins.
17. Carolina Heidke Adriasola, “Ecoescuela El Manzano”. Bío Bio.
18. Patricio Mora Araya, “Fundación Proyecta Memoria”. Bío Bio.
19. David Muñoz Lara, “CIEc. Centro de Innovación y Emprendimiento social Carahue”. Araucanía.
20. Odila Sepúlveda Ulloa, “Taller de Arte Terapia para niños, niñas y jóvenes con necesidades especiales”. Araucanía.
Los 20 semifinalistas deberán asistir a una entrevista con el Jurado, presencial en Santiago de Chile (con los gastos pagados) o virtual, durante la primera semana de septiembre. Luego de dicha entrevista, el Jurado seleccionará tras un proceso de minuciosa evaluación a los 10 ganadores de ACCIONJOVEN 2011.
La lista de 10 ganadores se publicará el día martes 13 de septiembre del 2011 en este mismo sitio web y serán notificados vía email o vía telefónica.
A quienes no quedaron seleccionados en esta etapa los invitamos a participar nuevamente el próximo año.
EL EFECTO FOTO ELECTRICO LA CELDA FOTO VOLTAICA
FOTOVOLTAICA
Richard Greswell
En la fotografía, un pseudo científico que
trabaja para que otros trabajen en aleaciones
microcristalinas de silicóna. Lo hace para ensanchar la perspectiva
científica en ingenieros jovenes respecto de una nueva generación
de dispositivos Foto Voltaicos, de silicio; Se ha abierto el camino a una
nueva clase de materiales microcristalinos aleados qué pueden tener
aplicación en la industria de la microelectronica y las celdas fotovoltaicas.
A la fecha, los científicos de paises avanzados han hecho ya unas 50
películas(capas) microcristalinas de silicóna adecuadas para producir
electricidad, O sea Enegía.
En 1839, Edmond
Becquerel descubrió el proceso de usar la luz del sol para producir una
corriente eléctrica en un material sólido. Pero tomó más de otro siglo
para entender este proceso de verdad. Los científicos aprendieron
eventualmente que el efecto fotoeléctrico o fotovoltaico causaba que ciertos
materiales convirtieran la energia de la luz en energía electrica en el nivel
de atomos.
El efecto fotoeléctrico es el proceso físico básico por la
cual una celda foto voltaica convierte la luz del sol en electricidad. Cuando
la luz solar pega en una celda solaresta puede ser : reflejada, absorvida o
pasasr limpiamente a través de esta. No obstante, solo aquella luz absorvida
es la que vá a generar electricidad.
la energía de la luz es transferida
a electrones en los átomos de la célda foto voltaica. Con su nueva energía ,
estos electrones escapan de sus posiciones normales en los átomos del
material semiconductor foto voltaico y se convierten en parte del
flujo electrico o corriente mejor dicho en algun circuito electrico. Pero
notese que una propidad especial que consiste en un "campo electrico
construido dentro de la misma celda" es la que provee la fuerza, o voltaje,
que se requiere para dirigir la corriente hacia una fuente externa que va
enventualmente a ser capaz de almacenarse o prender ampolletas.
La ilustración de n-capa con los electrones extras, p-capa con
los agujeros extras y la unión entre las dos capas.
Para inducir el
campo eléctrico construido dentro de una célula foto voltaica, se ponen dos
capas de materiales semiconductores ligeramente distintas en contacto entre
sí. La primera es una capa semiconductora del tipo n con abundancia
de electrones con carga negativa. La otra capa semiconductora es del tipo
con abundancia de "hoyos" que tienen una carga positiva.
Aunque ambos
materiales son eléctricamente neutros,la silicona del tipo n tiene electrones
de sobra y la silicona del tipo p tiene a su vez agujeros de sobra. Colocando
estos como sandwich se crea entonces un punto de salida p/n en su
fase intermedia creandose entonces ahí y por esta razon un campo de fuerza
electrico.
Cuando n - y silicón del p-tipo entra en el contacto, los
electrones del exceso mueven del lado del n-tipo al lado del p-tipo. El
resultado es un aumento de cargo positivo a lo largo del lado del n-tipo de
la interface y un aumento de cargo negativo a lo largo del lado del
p-tipo.
Debido al flujo de electrones y agujeros, los dos semiconductores
se comportan como una batería, creando un campo eléctrico en la superficie
dónde ellos se juntan en la union o juntura p/n. El campo electrico obliga a
los electrones a trasladarse desde el semiconductor hacia la superficie
negativa de donde quedan disponibles para ser ocupados por algun circuito
electrico o acumulacion. Al mismo tiempo los hoyos se
mueven en direccion contraria hacia la superficie positiva donde se van a
esperar a los electrones que vienen en direccion contraria.
¿Cómo se
hacen los materiales de silicona del tipo p ("positivo") y tipo n
("negativo") que eventualmente se podran usar para como celda foto voltaica
para producir electricidad? La forma mas comun es adicionarle al silicio un
elemento que tenga ya sea un electron extra o que le falte un electron. Este
proceso de adicionarle otro elemento se llama " Drogarlo" ( doping en
ingles)
EL ÁTOMO: En esencia la constitución del átomo, refiriéndonos a su aspecto
eléctrico, consta de un determinado numero de protones con carga positiva en el
núcleo y una cantidad igual de electrones, con carga negativa, girando en
diferentes órbitas del espacio, denominada envoluta.
El número máximo de
electrones que se pueden alojar en cada órbita es de 2n2, siendo "n"
el número de órbitas.
Los electrones giran en órbitas casi elípticas, en
cada una de las cuales y según su proximidad al núcleo, solo pueden existir un
numero máximo de electrones.
Atendiendo a la carga eléctrica como
inicialmente mencionábamos, los átomos, se pueden clasificar en positivos,
negativos y neutros.
Los átomos de elementos simples, cuando están
completas sus órbitas son neutros, hay igual cantidad de electrones que de
protones; pero dado que los electrones de la última órbita son los más alejados
del núcleo y por tanto, perciben menos su fuerza de atracción, pueden salirse de
dicha órbita denominada de valencia, dejando al átomo cargado positivamente por
contener más protones que electrones, si por el contrario en el último orbital
del átomo hubiese alojado un electrón libre exterior al átomo habría adquirido
carga negativa, a estas dos situaciones se les denomina iones.
ÁTOMOS ESTABLES E INESTABLES: Se
llama átomo estable al que tiene completa de electrones su última órbita o al
menos dispone en ella de ocho electrones. Los átomos inestables, que son los que
no tienen llena su órbita de valencia ni tampoco ocho electrones en ella, tienen
una gran propensión a convertirse en estables, bien desprendiéndose de los
electrones de valencia o bien absorbiendo del exterior electrones libres hasta
completar la última órbita; en cada caso realizaran lo que menos energía
suponga.
CUERPOS CONDUCTORES Y
AISLANTES: Los cuerpos conductores son aquellos cuyos
átomos permiten fácilmente el paso de electrones a su través. Un buen ejemplo de
conductor es el Cobre (Cu) que dispone de un electrón inestable en su cuarta
órbita con una gran tendencia a desprenderse.
CUERPOS SEMICONDUCTORES INTRINSECOS: Mientras
que los cuerpos buenos conductores ofrecen escasa resistencia al paso de
electrones, los aislantes la ofrecen elevadísima, y entre ambos extremos, se
encuentran los semiconductores que presentan una resistencia
intermedia.
Un ejemplo de elemento semiconductor es el Silicio (Si), la
característica fundamental de los cuerpos semiconductores es la de poseer cuatro
electrones en su órbita de valencia. Con esta estructura el átomo es inestable,
pero para hacerse estable se le presenta un dilema: y es que le cuesta lo mismo
desprenderse de cuatro electrones y quedarse sin una órbita, que absorber otros
cuatro electrones para hacerse estable al pasara tener ocho electrones. En estas
especiales circunstancias, ciertos elementos como el Silicio y el Germanio (Ge)
agrupan sus átomos de manera muy particular, formando una estructura reticular
en la que cada átomo queda rodeado por otros cuatro iguales, propiciando la
formación de los llamados enlaces
covalentes. En estas circunstancias, la estructura de los
cuerpos semiconductores, al estabilizarse, debería trabajar como buen aislante,
pero no es así a causa de la temperatura. Canto mayor es la temperatura aumenta
la agitación de los electrones y por consiguiente enlaces covalentes rotos,
dando lugar a electrones libres y huecos (falta de
electrón).
SEMICONDUCTORES
EXTRÍNSECOS: Comoquiera que las corrientes que se producen
en el seno de un semiconductor intrínseco a la temperara ambiente son
insignificantes, dado el bajo valor de portadores libres, para aumentarlos se
les añaden otro cuerpos, que se denominan impurezas. De esta forma es como se
obtienen los semiconductores extrínsecos tan importantes en la energía solar
fotovoltaica.
SEMICONDUCTORES EXTRÍNSECOS TIPO
N: en la figura se presenta la estructura cristalina del
Silicio (Si) dopado con Antimonio (Sb) al introducirse un átomo de impurezas de
este elemento, hecho por el que recibe el nombre de semiconductor
extrínseco.
Como se aprecia el átomo de Sb no solo cumple con los cuatro
enlaces covalentes, sino que aún le sobra un electrón, que tiende a salirse de
su órbita para que quede estable el átomo de Sb. Por cada átomo de impurezas
añadido aparece un electrón libre en la estructura. Aunque se añadan impurezas
en relación de uno a un millón, en la estructura del silicio además de los
1010 electrones y 1010 huecos libres que existen por
cm3, a la temperatura ambiente, hay ahora que sumar una cantidad de
electrones libres equivalente a la de átomos de impurezas. En estas condiciones
el Si con impurezas de Sb alcanza 1016 electrones libres y
1010 huecos libres por cm3, siendo en consecuencia el
numero de portadores eléctricos negativos mucho mayor que el de los positivos,
por lo que los primeros reciben la denominación de portadores mayoritarios y los
segundos la de portadores minoritarios y, por el mismo motivo, se le asigna a
este tipo de semiconductores extrínsecos la clasificación de SEMICONDUCTOR
EXTRÍNSECO TIPO N.
SEMICONDUTORES
EXTRÍNSECOS TIPO P: en la figura se presenta la estructura
cristalina del Silicio (Si) dopado con Aluminio (Al). Por cada átomo de
impurezas trivalente que se añade al semiconductor intrínseco aparece en la
estructura un hueco, o lo que es lo mismo, la falta de un
electrón.
Añadiendo un átomo de impurezas trivalente por cada millón de
átomos de semiconductor existen: 1016 huecos libres y 1010
electrones libres por cm3, a la temperatura ambiente. Como en este
semiconductor hay mayor numero de cargas positivas o huecos, se les denomina a
estos, portadores mayoritarios; mientras que los electrones libres, únicamente
propiciados por los efectos de la agitación térmica son los portadores
minoritarios. Por esta misma razón el semiconductor extrínseco así formado
recibe el nombre de SEMICONDUCTOR EXTRíNSECO TIPO P, siendo neutro el conjunto
de la estructura, al igual que sucedía con el TIPO N.
UNION DEL SEMICONDUCTOR P CON EL N: Al
colocar parte del semiconductor TIPO P junto a otra parte del semiconductor TIPO
N, debido a la ley de difusión los electrones de la zona N, donde hay alta
concentración de estos, tienden a dirigirse a la zona P, que a penas los tiene,
sucediendo lo contrario con los huecos, que tratan de dirigirse de la zona P,
donde hay alta concentración de huecos, a la zona N. Eso ocasiona su encuentro y
neutralización en la zona de unión. Al encontrarse un electrón con un hueco
desaparece el electrón libre, que pasa ocupar el lugar del hueco, y por lo tanto
también desaparece este último, formándose en dicha zona de la unión una
estructura estable y neutra.
Como quiera que la zona N era en principio
neutra y al colocarla junto a la zona P pierde electrones libres, hace que cada
vez vaya siendo más positiva, mientras que la zona P, al perder huecos, se hace
cada vez más negativa. Así aparece una diferencia de potencial entre las zonas N
y P, separadas por la zona de unión que es neutra. La tensión que aparece entre
las zonas, llamada barrera de
potencial, se opone a la ley de difusión, puesto que el
potencial positivo que se va creando en la zona N repele a los huecos que se
acercan de P, y el potencial negativo de la zona P repele a los electrones de la
zona N. Cuando ambas zonas han perdido cierta cantidad de portadores
mayoritarios que se han recombinado, la barrera de potencial creada impide la
continuación de la difusión y por tanto la igualación de las concentraciones de
ambas zonas. La barrera de potencial es del orden de 0.2V cuando el
semiconductor es de Ge y de unos 0.5V cuando es de Si.
Las aplicaciones de la energía solar fotovoltaica están basadas en el
aprovechamiento del efecto
fotovoltaico que tiene mucho que ver con lo explicado
anteriormente. De forma muy resumida y desde el punto de vista eléctrico, el
“efecto fotovoltaico” se produce al incidir la radiación solar (fotones) sobre
los materiales que definimos al principio como semiconductores extrínsecos. La
energía que reciben estos provenientes de los fotones, provoca un movimiento
caótico de electrones en el interior del material.
Al unir dos regiones
de un semiconductor al que artificialmente se había dotado de concentraciones
diferentes de electrones, mediante los elementos que denominábamos dopantes, se
provocaba un campo electrostático constante que reconducía el movimiento de
electrones. Recordemos que este material formado por la unión de dos zonas de
concentraciones diferentes de electrones la denominábamos unión PN, pues la
célula solar en definitiva es esto; una unión PN en la que la parte iluminada
será la tipo N y la no iluminada será la tipo P.
De esta forma, cuando
sobre la célula solar incide la radiación, aparece en ella una tensión análoga a
la que se produce entre las bornas de una pila. Mediante la colocación de
contactos metálicos en cada una de las caras puede “extraerse” la energía
eléctrica, que se utilizará para alimentar una carga.
Para que se
produzca el efecto fotovoltaico debe cumplirse que:
Por otro lado y
dando una explicación desde un punto de vista cuántico, su funcionamiento se
basa en la capacidad de transmitir la energía de los fotones de la radiación
solar a los electrones de valencia de los materiales semiconductores, de manera
que estos electrones rompen su enlace que anteriormente los tenía ligado a un
átomo. Por cada enlace que se rompe queda un electrón y un hueco (falta de
electrón en un enlace roto) para circular dentro del semiconductor. El
movimiento de los electrones y huecos en sentidos opuestos (conseguido por la
existencia de un campo eléctrico como veremos posteriormente) genera una
corriente eléctrica en el semiconductor la cual puede circular por un circuito
externo y liberar la energía cedida por los fotones para crear los pares
electrón-hueco. El campo eléctrico necesario al que hacíamos referencia
anteriormente, se consigue con la unión de dos semiconductores de diferente
dopado, como vimos al principio de esta sección: Un semiconductor tipo P (exceso
de huecos) y otro tipo N (exceso de electrones). Que al unirlos crea el campo
eléctrico E.
Una célula solar es un
dispositivo capaz de convertir la energía proveniente de la radiación solar en
energía eléctrica. La gran mayoría de las células solares que actualmente están
disponibles comercialmente son de Silicio mono o policristalino. El primer tipo
se encuentra más generalizado y aunque su proceso de elaboración es más
complicado, suele presentar mejores resultados en cuanto a su
eficiencia.
Por otra parte, la experimentación con materiales tales como
el Telurio de Cadmio o el Diseleniuro de Indio-Cobre está llevando a las células
fabricadas con estas sustancias a situaciones próximas ya a aplicaciones
comerciales, contándose con las ventajas de poderse trabajar con tecnologías de
láminas delgadas.
PRINCIPIO DE
FUNCIONAMIENTO DE LA CELULA SOLAR: Cuando conectamos una
célula solar a una carga y la célula está iluminada, se produce una diferencia
de potencial en extremos de la carga y circula una corriente por ella (efecto
fotovoltaico).
La corriente entregada a una carga por una célula solar es
el resultado neto de dos componentes internas de corriente que se oponen. Estas
son:
Corriente de
iluminación: debida a la generación de portadores que
produce la iluminación.
Corriente de
oscuridad: debida a la recombinación de portadores que
produce el voltaje externo necesario para poder entregar energía a la
carga.
Los fotones serán los que formaran, al romper el enlace, los pares
electrón-hueco y, debido al campo eléctrico producido por la unión de materiales
en la célula de tipo P y N, se separan antes de poder recombinarse formándose
así la corriente eléctrica que circula por la célula y la carga
aplicada.
Algunos fotones pueden no ser aprovechados para la creación de
energía eléctrica por diferentes razones:
- Los fotones que tienen
energía inferior al ancho de banda prohibida del semiconductor atraviesan el
semiconductor sin ceder su energía para crear pares electrón-hueco.
-
Aunque un fotón tenga una energía mayor o igual al ancho de banda prohibida
puede no ser aprovechado ya que una célula no tiene la capacidad de absorberlos
a todos.
- Además, los fotones pueden ser reflejados en la superficie de
la célula.
CURVA CARACTERÍSTICA I-V DE
ILUMINACIÓN REAL: La curva I-V de una célula fotovoltaica
representa pares de valores de tensión e intensidad en los que puede encontrarse
funcionando la célula. Los valores característicos son los
siguientes:
TENSIÓN DE CIRCUITO ABIERTO
(Voc): que es el máximo valor de tensión en
extremos de la célula y se da cuando esta no está conectada a ninguna
carga.
CORRIENTE DE CORTOCIRCUITO
(Isc): definido como el máximo valor de
corriente que circula por una célula fotovoltaica y se da cuando la célula está
en cortocircuito.
La siguiente ecuación representa todos los pares de
valores (I/V) en que puede trabajar una célula fotovoltaica.
También se
puede expresar con:
PUNTO DE MAXIMA POTENCIA "PMP"
(PM): Es el producto del valor de tensión máxima
(VM) e intensidad máxima (IM) para los que la potencia
entregada a una carga es máxima.
FACTOR
DE FORMA (FF): Se define como el cociente de potencia
máxima que se puede entregar a una carga entre el producto de la tensión de
circuito abierto y la intensidad de cortocircuito, es decir:
EFICIENCIA DE CONVERSIÓN ENERGÉTICA O
RENDIMIENTO: Se define como el cociente entre la máxima
potencia eléctrica que se puede entregar a la carga (PM) y la
irradiancia incidente (PL) sobre la célula que es el producto de la
irradiancia incidente G por el área de la célula S:
Dichos
parámetros se obtienen en unas condiciones
estándar de medida de uso universal según la norma
EN61215.
Irradiancia: 1000W/m2 (1
KW/m2)
Distribución espectral de la radiación incidente: AM1.5
(masa de aire)
Incidencia normal.
Temperatura de la célula:
25ºC
Otro parámetro es la TONC o
Temperatura de Operación Nominal de la Célula. Dicho
parámetro se define como la temperatura que alcanzan las células solares cuando
se someten a las siguientes condiciones de operación:
Irradiancia:
800W/m2
Distribución espectral de la radiación incidente:
AM1.5 (masa de aire)
Incidencia normal
Temperatura ambiente:
20ºC
Velocidad del viento: 1m/s
INFLUENCIA DE LA TEMPERATURA EN LOS PARÁMETROS BÁSICOS DE UNA
CÉLULA FOTOVOLTAICA: Al aumentar la temperatura de la
célula empeora el funcionamiento de la misma:
- Aumenta ligeramente la
Intensidad de cortocircuito. - Disminuye la tensión de circuito abierto,
aprox: -2.3 mV/ºC - El Factor de Forma disminuye. - El rendimiento
decrece.
La tecnología del Silicio como material de base para la fabricación de
células fotovoltaicas, está sujeta a constantes variaciones, experimentando
diferencias importantes según los distintos fabricantes.
PROCESO DE FABRICACIÓN: De
forma muy resumida, el proceso de fabricación de una célula mono o
policristalina se puede dividir en las siguientes
fases:
PRIMERA FASE: OBTENCIÓN DEL
SILICIO A partir de las rocas ricas en cuarzo (formadas
principalmente por SiO2, muy abundantes en la naturaleza) y mediante
el proceso de reducción con carbono, se obtiene Silicio con una pureza
aproximada del 99%, que no resulta suficiente para usos electrónicos y que se
suele denominar Silicio de grado
metalúrgico.
La industria de semiconductores
purifica este Silicio por procedimientos químicos, normalmente destilaciones de
compuestos colorados de Silicio, hasta que la concentración de impurezas es
inferior al 0.2 partes por millón. El material así obtenido suele ser llamado
Silicio grado semiconductor
y aunque tiene un grado de pureza superior al requerido en muchos casos por las
células solares, ha constituido la base del abastecimiento de materia prima para
aplicaciones solares, representando en la actualidad casi las tres cuartas
partes del abastecimiento de las industrias de fabricación de
células.
Sin embargo, para usos específicamente solares, son suficientes
(dependiendo del tipo de impureza y de la técnica de cristalización),
concentraciones de impurezas del orden de una parte por millón. Al material de
esta concentración se le suele denominar Silicio
grado solar.
Existen actualmente tres posibles
procedimientos en distintas fases de experimentación para la obtención del
Silicio grado solar, que proporcionan un producto casi tan eficaz como el del
grado semiconductor a un coste sensiblemente menor.
SEGUNDA FASE: CRISTALIZACIÓN Una vez
fundido el Silicio, se inicia la cristalización a partir de una semilla. Dicha
semilla es extraída del silicio fundido, este se va solidificando de forma
cristalina, resultando, si el tiempo es suficiente, un monocristal. El
procedimiento más utilizado en la actualidad es el convencional
método Czochralsky,
pudiéndose emplear también técnicas de colado. El Silicio cristalino así
obtenido tiene forma de lingotes. También se plantean otros métodos capaces de
producir directamente el Silicio en láminas a partir de técnicas basadas en la
epitaxia, en crecimiento sobre soporte o cristalización a partir de Si mediante
matrices.
Se obtienen principalmente dos tipos de estructuras: una la
monocristalina (con un
único frente de cristalización) y la otra la policristalina (con varios frentes de
cristalización, aunque con unas direcciones predominantes). La diferencia
principal radica en el grado de pureza del silicio durante el
crecimiento/recristalización.
TERCERA
FASE: OBTENCIÓN DE OBLEAS El proceso de corte tiene
gran importancia en la producción de las láminas obleas a partir del lingote, ya
que supone una importante perdida de material (que puede alcanzar el 50%). El
espesor de las obleas resultantes suele ser del orden de
2-4mm.
CUARTA FASE: FABRICACIÓN DE LA
CÉLULA Y LOS MÓDULOS Una vez obtenida la oblea, es
necesario mejorar su superficie, que presenta irregularidades y defectos debidos
al corte, además de retirar de la misma los restos que puedan llevar (polvo,
virutas), mediante el proceso denominado decapado.
Con la oblea limpia, se
procede al texturizado de
la misma (siempre para células monocristalinas, ya que las células
policristalinas no admiten este tipo de procesos), aprovechando las propiedades
cristalinas del Silicio para obtener una superficie que absorba con más
eficiencia la radiación solar incidente.
Posteriormente se procede a la
formación de un unión PN
mediante deposición de distintos materiales (compuestos de fósforo para las
partes N y compuestos de boro para las partes P, aunque normalmente, las obleas
ya están dopadas con boro), y su integración en la estructura del silicio
cristalino.
El siguiente paso es la formación de los contactos metálicos de la célula , en forma
de rejilla en la cara iluminada por el Sol, y continuo en la cara posterior. La
formación de los contactos en la cara iluminada se realiza mediante
técnicas serigráficas,
empleando más reciente mente la tecnología
láser para obtener contactos de mejor calidad y
rendimiento.
El contacto metálico de la cara sobre la cual incide la
radiación solar suele tener forma de rejilla, de modo que permita el paso de la
luz y la extracción de corriente simultáneamente. La otra cara está totalmente
recubierta de metal.
Una célula individual normal, con un área de unos
75cm2 y suficientemente iluminada es capaz de producir una diferencia
de potencial de 0.4V y una potencia de 1W.
Finalmente, puede procederse a
añadir una capa
antirreflexiva sobre la célula, con el fin de mejorar las
posibilidades de absorción de la radiación solar.
Una vez concluidos los
procesos sobre la célula, se procede a su comprobación, previamente a su
encapsulado, interconexión y montaje en los módulos.
En cuanto a la
eficiencia de las diferentes tecnologías fotovoltaicas se pueden indicar ciertos
valores aproximados. Para el caso del Silicio monocristalino ésta se sitúa en,
aproximadamente entre un 16 y un 25% mientras que en el policristalino
actualmente es del 12-13% siendo posible que se eleve a corto plazo en un nivel
similar al alcanzado ya para el monocristalino.
Como resumen, en relación
a la tecnología solar del silicio mono o policristalino, se puede indicar que su
situación es madura, pero no obstante existe un amplio aspecto de posibles
mejoras, muchas de ellas analizadas y verificadas en profundidad en
laboratorios.
Otros posibles materiales para la fabricación de células
solares es el Silicio
amorfo. Esta tecnología permite disponer de células de muy
delgado espesor, lo cual presenta grandes ventajas. Adicionalmente su proceso de
fabricación es, al menos teóricamente, más simple y sustancialmente más barato.
La eficiencia es comparativamente algo menor que en los casos anteriores (6-8%)
y todavía no se dispone de datos suficientes en cuanto a su estabilidad. Su
principal campo de aplicación en la actualidad son los relojes, juguetes,
calculadoras y otras aplicaciones de consumo. Dentro de las aplicaciones
energéticas equivalentes a las de la tecnología del Silicio cristalino, su
versatilidad es muy adecuada para la confección de módulos semitransparentes
empleados en algunas instalaciones integradas en edificios.