1.14: Células Solares
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Ahora veamos por un momento el proceso opuesto de generación de luz. Considera la siguiente situación.
Tenemos apenas una unión p-n normal vieja y llana, solo que ahora, en lugar de aplicar una tensión externa, imaginamos que la unión se está iluminando con luz cuya energía fotónica es mayor que la banda prohibida. En esta situación, en lugar de recombinación, obtendremos la fotogeneración de pares de agujeros de electrones. Los fotones simplemente excitan electrones de los estados completos en la banda de valencia, y los “patean” hacia arriba en la banda de conducción, dejando un agujero atrás. (Esto es similar al proceso de excitación térmica del que hablamos antes). Como puede ver en la Figura\(\PageIndex{1}\), esto crea un exceso de electrones en la banda de conducción en el lado p del diodo, y agujeros en exceso en la banda de valencia del lado n. Estos portadores pueden difundirse hasta la unión, donde serán barridos por el campo eléctrico incorporado en la región de agotamiento. Si tuviéramos que conectar los dos lados del diodo junto con un cable, una corriente fluiría a través de ese cable como resultado de los electrones y agujeros que se mueven a través de la unión.
¿De qué manera fluiría la corriente? Un vistazo rápido a la Figura\(\PageIndex{1}\) muestra que los agujeros (portadores de carga positiva) se generan en el lado n y flotan hasta el lado p a medida que cruzan el cruce. Por lo tanto, la corriente positiva debe estar saliendo del ánodo, o lado p de la unión. De igual manera, los electrones generados en el lado p caen por el potencial de unión, y salen del lado n, pero como tienen carga negativa, este flujo representa la corriente que entra al cátodo. ¡Hemos construido un diodo fotovoltaico, o célula solar! La figura\(\PageIndex{2}\) es una imagen de cómo se vería esto esquemáticamente.
Quizás nos gustaría considerar la posibilidad de usar este dispositivo como fuente de energía, pero la forma en que tenemos las cosas instaladas ahora, ya que el voltaje a través del diodo es cero, y como la potencia es igual a la corriente por voltaje, vemos que estamos obteniendo nada de la celda. Lo que necesitamos, obviamente, es una resistencia de carga, así que pongamos una. Debe quedar claro a partir de la Figura\(\PageIndex{3}\) que la fotocorriente que fluye a través de la resistencia de carga desarrollará un voltaje que desvía el diodo en la dirección hacia adelante, lo que, por supuesto, hará que la corriente fluya de nuevo al ánodo. Esto complica las cosas, parece que tenemos corriente saliendo del diodo y corriente entrando en el diodo ¡todo al mismo tiempo! ¿Cómo vamos a averiguar qué está pasando?
La respuesta es hacer un modelo. La corriente que surge debido al flujo de fotones puede representarse convenientemente como una fuente de corriente. Podemos dejar el diodo como un diodo, y tenemos el circuito que se muestra en la Figura\(\PageIndex{4}\).
A pesar de que mostramos\(I_{\text{out}}\) saliendo del dispositivo, sabemos por la convención de polaridad habitual que cuando definimos\(V_{\text{out}}\) como positivos en la parte superior, entonces debemos mostrar la corriente para la fotovoltaica,\(I_{\text{pv}}\), como entrar al diodo desde la parte superior, que es lo que se hizo en la Figura\(\PageIndex{4}\). Tenga en cuenta que\(I_{\text{pv}} = I_{\text{diode}} - I_{\text{photo}}\), así que lo único que tenemos que hacer es restar las dos corrientes; lo hacemos gráficamente en la Figura\(\PageIndex{5}\). Tenga en cuenta que hemos numerado los cuatro cuadrantes en la\(I \text{-} V\) parcela de la corriente fotovoltaica total. En los cuadrantes I y III, el producto de\(I\) y\(V\) es un número positivo, es decir, que el poder se está disipando en la célula. Para el cuadrante II y IV, el producto de\(I\) y\(V\) es negativo, y así estamos obteniendo energía del dispositivo. Claramente queremos operar en el cuadrante IV. De hecho, sin la adición de una batería externa o fuente de corriente, el circuito sólo funcionará en el cuadrante IV. Considere ajustar\(R_{L}\), la resistencia de carga de\(0\) (un corto) a\(\infty\) (un abierto). Con\(R_{L} = 0\), estaríamos en el punto A de la Figura\(\PageIndex{5}\). A medida que\(R_{L}\) empieza a aumentar de cero, la tensión tanto a través del diodo como de la resistencia empezará a aumentar también, y pasaremos al punto B, digamos. A medida que\(R_{L}\) se hace cada vez más grande, seguimos moviéndonos a lo largo de la curva hasta que, en el punto C, donde\(R_{L}\) está un abierto y tenemos el voltaje máximo a través del dispositivo, pero, por supuesto, ¡no sale corriente!
La potencia es\(V \cdot I\) así en B, por ejemplo, la potencia que sale estaría representada por el área encerrada por las dos líneas punteadas y los ejes de coordenadas. Algún lugar sobre donde tengo el punto B sería donde estaríamos obteniendo la mayor cantidad de energía de nuestra célula solar.
La figura te\(\PageIndex{6}\) muestra cómo sería una célula solar real. Por lo general, están hechos de una oblea completa de silicio, para maximizar el área utilizable. Se realiza una\((0.25 \ \mu \mathrm{m})\) unión poco profunda en la parte superior y los contactos superiores se aplican como franjas de conductor metálico como se muestra. Se aplica un recubrimiento antirreflectante (AR) encima de eso, lo que explica el color azulado que tiene una célula solar típica.
El flujo de energía solar en la superficie de la tierra es (convenientemente) aproximadamente\(1 \ \frac{\mathrm{kW}}{\mathrm{m}^2}\), o\(100 \ \frac{\mathrm{mW}}{\mathrm{cm}^2}\). Entonces, si hiciéramos una célula solar a partir de una oblea de 4 pulgadas de diámetro (típica) tendría un área de aproximadamente\(81 \mathrm{~cm}^2\) y así estaría recibiendo un flujo de aproximadamente\(8.1 \mathrm{~Watts}\). Las eficiencias celulares típicas van desde aproximadamente\(10 \ \%\) hasta tal vez a\(15 \ \%\) menos que se utilicen trucos especiales (y costosos). Esto significa que\(1.2 \mathrm{~Watts}\) saldremos de una sola oblea. Mirando el punto B de la Figura\(\PageIndex{5}\) podríamos adivinar que\(V_{\text{out}}\) será de aproximadamente 0.5 a 0.6 voltios, así podríamos esperar obtener tal vez alrededor de 2.5 amperios de una oblea de 4 pulgadas a 0.5 voltios con\(15 \ \%\) eficiencia bajo la iluminación de un sol.