La celdas solares PV o fotovoltaicas funciona Fotovoltaico bajo el principio de que la electricidad circulará entre dos semiconductores disimiles al ponerlos en contacto uno con el otro y ser expuestos a la luz. Conectando un número de estas celdas entre sí, se apreciará que se produce una útil y abundante circulación de corriente eléctrica. Un conjunto de dos o más unidades de celdas fotovoltaicas de iguales características constituyen un módulo fotovoltaico.

GENERACION ELECTRICA

Por causa de sus propiedades eléctricas, los módulos funciona Fotovoltaico producen corriente continua en lugar de corriente alterna (C.A.). La corriente continua (C.C.) se caracteriza por el pasaje de electrones circulando en una sola dirección (el tipo de corriente que obtiene de una pila o de un elemento de linterna). La corriente alternada es una circulación de electrones que invierte su dirección a intervalos regulares, como por ejemplo la provista por las compañías generadoras a través de la red de distribución nacional. La C.A. es necesaria para accionar la mayoría de los artefactos grandes, refrigeradoras, etc.

En las sistemas funciona Fotovoltaico más sencillos, la corriente continua se usa directamente. En las aplicaciones en donde es necesaria la C.A., se agrega al sistema un “inversor”, que convierte la cc en ca.

COMPONENTES BÁSICOS DE UN SISTEMA

Los paneles solares son sólo uno de los elementos de un sistema solar completo. Para poder ser usado en aplicaciones similares a la que se obtiene a través de la distribución domiciliaria, necesita un inversor para convertir la electricidad de C.C. en C.A., compatible con la alimentación de la línea de canalización.

También es necesario contar con un sistema de baterías y un regulador de carga, además de un conmutador de control para accionar dispositivos de emergencia. En instalaciones más sencillas, también necesitará una batería para cargas diurnas, un regulador funciona Fotovoltaico de carga para llevar a cabo con eficiencia esta función, y un inversor – en caso que necesite C.A.

EFECTO FOTOELECTRICO

El Efecto Fotoeléctrico es la formación y liberación de partículas eléctricamente cargadas que se produce en la materia cuando es irradiada con luz u otra radiación electromagnética. El término efecto fotoeléctrico designa varios tipos de interacciones similares. En el efecto fotoeléctrico externo se liberan electrones en la superficie de un conductor metálico al absorber energía de la luz que incide sobre dicha superficie.

Este efecto se emplea en la célula fotoeléctrica, donde los electrones liberados por un polo de la célula, el fotocátodo, se mueven hacia el otro polo, el anodo, bajo la influencia de un campo eléctrico. El estudio del efecto fotoeléctrico externo desempeñó un papel importante en el desarrollo de la física moderna. Una serie de experimentos iniciados en 1887 por Becquerel demostró que el efecto fotoeléctrico externo tenía determinadas características que no podían explicarse por las teorías de aquella época, que consideraban que la luz y todas las demás clases de radiación electromagnética se comportaban como ondas.

Por ejemplo, a medida que la luz que incide sobre un metal se hace más intensa, la teoría ondulatoria de la luz sugiere que en el metal se liberarán electrones con una energía cada vez mayor. Sin embargo, los experimentos mostraron que la máxima energía posible de los electrones emitidos solo depende de la frecuencia de la luz incidente, i no de su intensidad. En 1905, para tratar de explicar el mecanismo del efecto fotoeléctrico externo, Albert Einstein sugirió que podría considerarse que la luz se comporta en determinados casos como una partícula, y que la energía de cada partícula luminosa, o fotón, sólo depende de la frecuencia de la luz.

Para explicar el efecto fotoeléctrico externo, Einstein consideró la luz como un conjunto de “proyectiles” que chocan contra el metal. Cuando un electrón libre del metal es golpeado por un fotón, absorbe la energía del mismo. Si el fotón tiene la suficiente energía, el electrón es expulsado del metal. La teoría de Einstein explicaba muchas características del efecto fotoeléctrico externo, como por ejemplo el hecho de que la energía máxima de los electrones expulsados sea independiente de la intensidad de la luz.

Según la teoría de Einstein, esta energía máxima sólo depende de la energía del fotón que lo expulsa, que a su vez sólo depende de la frecuencia de la luz. La teoría de Einstein se verificó por experimentos posteriores. Su explicación del efecto fotoeléctrico, con la demostración de que la radiación electromagnética puede comportarse en algunos casos como un conjunto
de partículas, contribuyo al desarrollo de la teoría cuántica. El término efecto fotoeléctrico también puede referirse a otros tres procesos:

• La fotoionización.
• La fotoconducción.
• Efecto fotovoltaico.

La fotoionización es la ionización de un gas por la luz u otra radiación electromagnética. Para ello, los fotones tienen que poseer la suficiente energía para separar uno o más electrones externos de los átomos de gas. En la fotoconducción, los electrones de materiales cristalinos absorben energía de los fotones y llegan así a la gama de niveles de energía en la que pueden desplazarse libremente y conducir electricidad. En el efecto fotovoltaico, los fotones crean pares electrón-hueco en materiales semiconductores. En un transistor, este efecto provoca la creación de un potencial eléctrico en la unión entre dos semiconductores diferentes.

FABRICACIÓN DE CÉLULAS SOLARES

El proceso de fabricación de una célula fotovoltaíca consta de dos partes bien diferenciadas:

• Elaboración y purificación del semiconductor a utilizar, bien sea silicio, germanio, arseniuro de galio…
• Fabricación de la propia célula fotovoltáica.

La fabricación de una célula de silicio monocristalino es el siguiente:

La materia prima es el sílice, que se extrae mediante reducción, obteniendo el llamado silicio metalúrgico, con una pureza del 98%, se vuelve a purificar hasta llegar al silicio en grado semiconductor, con una pureza del 99,999%.

Se introduce el silicio en un crisol con impurezas de boro, formando una masa fundida que alcanza una temperatura de unos 1.440ºC. Se dispone de una varilla en cuyo extremo se sitúa un germen de silicio que hace que comience el proceso de solidificación al ponerse en contacto con la masa. Se denomina método Szchralsky.

Una vez obtenido el cilindro de silicio monocristalino, se corta en delgadas obleas, de unos 0,3 mm. La capa superficial se restaura del corte mediante baños químicos y, posteriormente, la oblea se introduce en hornos especiales que alcanzan entre 800 y 1.000ºC y que contienen una atmósfera rica en fósforo. Ahí, el fósforo se va difundiendo es la cara que se quiere dopar y forma así la unión P-N.

A continuación se dota a la oblea de una capa antirreflectante para un mayor aprovechamiento de la radiación solar, así como los contactos óhmicos para poder conectar la oblea fotovoltaica y, para finalizar, se comprueba y se miden las características espectrales de la célula solar fabricada.

Las células solares de silicio monocristalino están basadas en la unión del silicio, u homounión, en contraposición a otros tipos de células solares, como el arseniuro de silicio o heterounión. Debido al alto coste de este tipo de materiales, a pesar de que mejoren el rendimiento del silicio, se comenzaron a estudiar las células fotovoltáicas policristalinas, con rendimiento inferior pero considerablemente más baratas. en la década de los 60 empezaron a considerarse en la Física del Estado Sólido los materiales amorfos, principalmente el silicio, el único empleado hasta ahora en esta forma para la utilización en células fotovoltáicas. Una de las características más comunes en los sólidos amorfos es el gran número de estados o impurezas en la banda prohibida, que aumentan así su rendimiento en la absorción de luz, el espesor de una muestra de silicio cristalino es de 100 micras, mientras que el silicio amorfo sólo necesita un espesor de 1 micra, en 1986 el silicio amorfo había desplazado al cristalino.

Para mejorar el rendimiento, un español aprovechó no solo la radiación procedente del sol, sino también la que era reflejada por la superficie terrestre, creando así las células bifaciales. La tecnología de estas células está basada en una doble unión, normalmente N-P-P. El problema de este tipo de células radica en el elevado coste de producción a causa de su específica fabricación. Las técnicas de producción en serie son las indicadas para fabricar láminas finas, que requieren muy pequeñas cantidades de material activo, con lo que se abarataría su coste.

EL SILICIO

El Silicio es todavía el material más popular para la fabricación de la mayoría de las células solares para aplicaciones comerciales porque es abundante en la naturaleza. Para ser útil en las células solares, debe ser refinado al 99.9999% de pureza.
La estructura molecular de una celda individual de silicio es uniforme, lo que es ideal para una eficiente transferencia de electrones. Para hacer una celda fotovoltaica efectiva, se le agregan “impurezas” (dopado) para que se convierta en tipo-n o tipo-p. Una segunda manera mucho más económica lo constituye el silicio semicristalino, que consiste de varios cristales más pequeños conocidos como “semillas,” que introducen “límites entre gr&aaacute;nulos” al sólido.

Son estas barreras lo que impide la circulación o pasaje de electrones y los estimulan a recombinarse con las “lagunas”. Hay un compromiso entre el costo y la reducción de potencia. Para crear las diferentes capas semiconductoras, el silicio se deben introducir impurezas, sea con un elemento que posea un electrón en demasía (sobrante) o por defecto (faltante). Juntando las capas `n’ y `p’ se crea la juntura que provoca que el material genere electricidad cuando se encuentra frente a una fuente de luz.

Tres son las tecnologías disponibles, toda altamente confiables. Dos de estas tecnologías requieren cristal de silicio, sea mono-cristalino o policristalino. La tercera tecnología utiliza delgadas películas de silicio “amorfo” impurificado.

Los “mono” se hacen extrayendo un único cristal de un baño de silicio fundido. Este cristal es rebanado en una configuración cercana a un cuadrado llamado seudo-cuadrado. Poli o Multi se obtienen fundiendo silicio en moldes cerámicos como si fuera hierro, se lo enfría lentamente por muchas horas a fin de obligar a las impurezas a asomar a la superficie, cortando y eliminando el material impuro y luego rebanando el silicio remanente en cuadrados o rectángulos.

Los Mono son algo más eficientes por igual unidad de área y se hacen de recortes, excedentes de la industria de semiconductores.

El silicio Multi o policristalino puede ser obtenido más económicamente, aunque los costos de ambas tecnologías varía cada día, dependiendo de cuestiones locales, como la cantidad de silicio de descarte existente en el mercado libre.

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