Como funciona una celula fotovoltaica

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La energía fotovoltaica es la conversión directa de la luz en electricidad a nivel atómico. Algunos materiales exhiben una propiedad conocida como el efecto fotoeléctrico que hace que absorban fotones de luz y liberen electrones. Cuando estos electrones libres son capturados, se produce una corriente eléctrica que puede ser utilizada como electricidad.

El efecto fotoeléctrico fue notado por primera vez por un físico francés, Edmund Bequerel, en 1839, quien descubrió que ciertos materiales producirían pequeñas cantidades de corriente eléctrica cuando se exponen a la luz. En 1905, Albert Einstein describió la naturaleza de la luz y el efecto fotoeléctrico en el que se basa la tecnología fotovoltaica, por la que más tarde ganó el premio Nobel de física. El primer módulo fotovoltaico fue construido por Laboratorios Bell en 1954. Se facturó como una batería solar y fue en su mayoría una curiosidad, ya que era demasiado caro para su uso generalizado. En la década de 1960, la industria espacial comenzó a hacer el primer uso serio de la tecnología para proporcionar energía a bordo de naves espaciales. A través de los programas espaciales, la tecnología avanzó, se estableció su confiabilidad y el costo comenzó a disminuir. Durante la crisis energética de los años 70, la tecnología fotovoltaica ganó reconocimiento como fuente de energía para aplicaciones no espaciales.

El diagrama anterior ilustra el funcionamiento de una célula fotovoltaica básica, también llamada célula solar. Las células solares están hechas de los mismos tipos de materiales semiconductores, como el silicio, que se utilizan en la industria de la microelectrónica. En el caso de las células solares, una fina oblea de semiconductor se trata especialmente para formar un campo eléctrico, positivo por un lado y negativo por el otro. Cuando la energía de la luz golpea la célula solar, los electrones se desprenden de los átomos del material semiconductor. Si los conductores eléctricos están conectados a los lados positivo y negativo, formando un circuito eléctrico, los electrones pueden ser capturados en forma de una corriente eléctrica, es decir, electricidad. Esta electricidad se puede utilizar para alimentar una carga, como una lámpara o una herramienta.

Una serie de células solares conectadas eléctricamente entre sí y montadas en una estructura de soporte o marco se denomina módulo fotovoltaico. Los módulos están diseñados para suministrar electricidad a un determinado voltaje, como un sistema común de 12 voltios. La corriente producida depende directamente de la cantidad de luz que reciba el módulo.

Se pueden conectar varios módulos para formar una matriz. En general, cuanto mayor sea el área de un módulo o arreglo, más electricidad se producirá. Los módulos y conjuntos fotovoltaicos producen electricidad de corriente continua (CC). Pueden conectarse tanto en serie como en paralelo para producir cualquier combinación de tensión y corriente necesaria.

Los dispositivos fotovoltaicos más comunes de hoy en día utilizan una sola unión o interfaz para crear un campo eléctrico dentro de un semiconductor como una célula fotovoltaica. En una célula fotovoltaica de una sola unión, sólo los fotones cuya energía es igual o mayor que la banda de separación del material celular pueden liberar un electrón para un circuito eléctrico. En otras palabras, la respuesta fotovoltaica de las células de un solo enlace se limita a la parte del espectro solar cuya energía está por encima de la banda de separación del material absorbente, y no se utilizan fotones de menor energía.
Una forma de sortear esta limitación es usar dos (o más) celdas diferentes, con más de una separación de banda y más de una unión, para generar un voltaje. Se denominan células “multiunión” (también llamadas células “en cascada” o “en tándem”). Los dispositivos multiunión pueden lograr una mayor eficiencia de conversión total porque pueden convertir una mayor parte del espectro energético de la luz en electricidad.

Como se muestra a continuación, un dispositivo multiunión es una pila de células individuales de una sola unión en orden descendente de banda de separación (Ej.). La célula superior captura los fotones de alta energía y pasa el resto de los fotones para ser absorbidos por las células de banda inferior.

Gran parte de la investigación actual en células multiunión se centra en el arseniuro de galio como una (o todas) de las células componentes. Estas células han alcanzado eficiencias de alrededor del 35% bajo la luz solar concentrada. Otros materiales estudiados para los dispositivos multiunión han sido el silicio amorfo y el diseleniuro de cobre e indio.
Como ejemplo, el dispositivo multijuntura de abajo utiliza una célula superior de fosfuro de galio e indio, “una unión de túnel”, para ayudar al flujo de electrones entre las células, y una célula inferior de arseniuro de galio.

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