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 GreswellEn 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)
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.
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.
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.
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.
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.
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.
