En la naturaleza, la energía luminosa se transforma en
eléctrica en el proceso de fotosíntesis. Los humanos conseguimos este mismo
resultado utilizando semiconductores.
Las células fotovoltaicas, están formadas por muchos diodos
semiconductores juntos y son fabricadas usando diferentes materiales y procesos,
ya que todavía se continúa perfeccionando el producto buscando la manera de
abaratar el costo e incrementar su eficiencia.
Cuando la luz solar pega sobre estos paneles, tiene la energía
y el espectro luminoso necesario para alterar el estado de equilibrio de la
juntura N-P en estos diodos y se genera un exceso de cargas libres, las que
pueden sostener una corriente, si se cierra el circuito externo.
Conductores y aislantes
Dado que el fenómeno fotovoltaico toma lugar dentro de un
semiconductor, se hace necesario entender que hace que un material sea un buen
conductor, un buen aislante (no-conductor) y, por último, un semiconductor.
La corriente eléctrica es la cantidad de cargas que circulan
por unidad de tiempo. Cuando se aplica un voltaje entre los extremos de un
material, se crea un campo eléctrico dentro del mismo. Los electrones ubicados
en la órbita exterior del átomo de este material, la más lejana del núcleo,
estarán sometidos a una fuerza cuyo valor está dado por la expresión:
F = q x E
Donde "q" es el valor de la carga (en Coulombs) y "E" es el
valor del campo eléctrico en "V/m". La conducción o no-conducción eléctrica de
un material está determinada por su estructura atómica.
En materiales conductores, como el cobre, el aluminio o el
grafito, los electrones de la banda externa tienen mucha movilidad, ya que están
saltando de átomo a átomo, aún a la temperatura ambiente.
Bajo la acción de un campo eléctrico (voltaje entre los
extremos) la fuerza dada por la expresión “F = q x E” los pone en movimiento. El
valor de la conductividad (inversa de la resistividad) es elevado en estos
materiales.
En materiales aislantes, como el vidrio, el diamante o la
porcelana, aún con elevados valores del campo eléctrico (altos voltajes) la
fuerza que se ejerce sobre los electrones de la órbita externa no es suficiente
para desplazarlos y establecer una corriente, ya que su movilidad es
prácticamente nula.
Observe el lector que en los ejemplos he usado, a propósito,
dos formas cristalinas distintas para el carbón: el grafito (conductor) y el
diamante (aislante) para mostrar cómo la estructura interna de la sustancia
determina la movilidad de las cargas en la misma.
Cuando el átomo de una sustancia pierde un electrón, se
transforma en una carga positiva. La pérdida de un electrón crea, en efecto, dos
cargas dentro del material: una negativa (electrón libre) y otra positiva (resto
del átomo).
Estructuras cristalinas
En substancias como el germanio (Ge) y el silicio (Si) los
electrones de la capa exterior de un átomo son compartidos por átomos adyacentes
(Figura 1) formando una estructura fija rígida (cristalina) en donde los
electrones carecen de movilidad. Por eso el germanio y el silicio puro son
substancias aislantes.
Figura 1 - Estructura cristalina
Semiconductores
Si en un cristal de este tipo logramos incorporar átomos de
otras substancias, aún en proporciones muy pequeñas, la conductividad de estos
materiales varía drásticamente, convirtiéndolos en semiconductores. Estos
materiales tienen un valor de conductividad que los sitúan entre los aisladores
y los conductores de corriente.
Si la sustancia que se introduce tiene la capacidad de ceder
electrones, éstos se convierten en la carga mayoritaria en esa zona
(semiconductor tipo N).
Si, por el contrario, los átomos de la sustancia que se
introduce son ávidos de electrones, la mayoría de los átomos en esta zona
tendrán cargas positivas libres (tipo P). A estas cargas se las denominan
“hoyos” ya que el electrón tomado deja un vacío (hoyo) en el átomo que lo cedió.
A las substancias que se usan para alterar la conductividad del cristal puro se
las conocen como dopantes o contaminantes.
El proceso de introducción de átomos que ceden o toman
electrones, difusión, se ha convertido en un proceso robotizado, en donde los
átomos de las substancias dopantes se introducen usando cañones electrónicos que
bombardean los cristales (proceso de implantación).
La industria usa el cristal de silicio (Si) porque su
comportamiento a altas temperaturas es superior al del germanio (Ge).
Quizá en el futuro haya células fotovoltaicas hechas con
diamantes, ya que se han descubierto varios procesos para fabricarlos en
cantidad y a bajo precio, pero no se ha investigado como llevar adelante el
proceso de difusión. Este material, carbón, es superior al sicilio cuando la
temperatura ambiente es elevada.
Juntura N-P
El proceso de difusión es repetitivo, de manera que pueden
crearse zonas cuasi-conductoras, aisladoras o semiconductoras con diferentes
cargas mayoritarias. Esto permite crear dos zonas cuasi-conductoras en los
extremos del diodo, las que sirven para anclar los conectores externos, así como
dos zonas adyacentes, una del tipo N; la otra del tipo P. La zona entre estas
dos regiones se denomina juntura.
Nótese que la letra N se correlaciona con negativo y la letra P
con positivo, indicando cual es la carga mayoritaria en cada zona.
La teoría muestra que las cargas mayoritarias (electrones de un
lado y hoyos del otro) no permanecen inmóviles, desplazándose hacia la zona
adyacente, donde la concentración es baja. Este desplazamiento de cargas
(corrientes de desplazamiento) acumula cargas positivas en la zona N y negativas
en la zona P, creando una diferencia de potencial en la juntura, la que
establece un campo eléctrico (E).
El proceso migratorio continúa hasta que se vé interrumpido
cuando el valor del potencial alcanza lo que se denomina el nivel de Fermi para
esa sustancia.
El campo eléctrico E (V/distancia) en esta zona tendrá un valor
elevado, ya que la juntura tiene muy pequeño espesor.
Figura 2 - El estado de equilibrio para una
juntura N-P
En la expresión “F = q x E” la dirección de la fuerza depende
del signo de la carga, de manera que los electrones y los hoyos se desplazan en
sentidos opuestos.
Célula fotovoltaica
Cuando la luz solar que incide sobre la zona adyacente a la
juntura tiene el espectro y nivel de energía requerido por el material (Si) el
bombardeo de los fotones crea pares de cargas libres (Figura 3), los que se
mueven libremente. Algunos de estos pares se recombinan (neutralizan) antes de
migrar a la zona de juntura, pero un elevado porcentaje de electrones del lado P
y de hoyos del lado N serán impulsados a través de la juntura. La dirección del
campo eléctrico E (Figura 2) hace que estas cargas no puedan volver, alterándose
el estado de equilibrio. Las cargas libres están listas para sostener una
corriente cuando se conecten el lado N y P a una carga eléctrica externa.
Figuras 3 - Corte y capas de una célula
fotovoltaica
La eficiencia de conversión (energía luminosa en eléctrica)
está dada, en forma porcentual, por la expresión:
e/n= (Energía eléctrica de salida / Energía luminosa de
entrada) x 100
Donde n (nu) es el valor porcentual de la eficiencia.
Tipos de células fotovoltaicas
El mercado ofrece numerosos tipos de células FVs. Algunas gozan
de más difusión que otras debido a que fueron introducidas hace largo tiempo
atrás. Todas las células pertenecen a uno de los grupos mencionados a
continuación:
-
Mono-cristalinas.
-
Poli-cristalinas.
-
Amorfas.
El orden dado es el mismo cuando se considera el costo o la
eficiencia de conversión.
Las células de estructura mono-cristalina fueron las primeras
en ser manufacturadas, ya que se podían emplear las mismas técnicas usadas
previamente en la fabricación de diodos y transistores.
A este tipo de células, conocidas simplemente como cristalinas,
se le asigna la abreviatura (cSi). El proceso de fabricación del cristal de
silicio requiere un alto consumo de energía eléctrica, lo que eleva el costo de
estas células, las que proporcionan los más altos valores de eficiencia.
Recientemente, la compañía Sun-Power ha anunciado la
introducción de una célula de cSi, sin rejilla de contacto frontal, la que
tendría una eficiencia del 20% (máximo teórico: aprox. 25%).
La versión poli-cristalina (pSi) se obtiene fundiendo silicio
de grado industrial, el que se vierte en moldes rectangulares, de sección
cuadrada. Como el costo del material y el procesado se simplifican, las células
amorfas alcanzan un valor intermedio entre las cristalinas y las amorfas. La
eficiencia ha ido creciendo, llegando a ofrecerse (Kyocera) células de pSi con
eficiencia de conversión del 15%, un valor reservado pocos años atrás para las
células de cSi.
Identificación visual
Las células de cSi se reconocen a simple vista, ya que su
superficie es uniforme. Expuestas a la luz actúan como un espejo grisáceo.
Las células policristalinas reflejan la luz en forma no
uniforme, pudiéndose observar las imperfecciones en el cristal. Tienen,
asimismo, una coloración azulada.
Células policristalinas (izq) y monocristalinas
(der)
El otro tipo corresponde a las células amorfas.
Como su nombre lo indica estas células no poseen una estructura cristalina.
Precisamente esa simplificación en la estructura conduce a un abaratamiento
drástico de las mismas.
Es un hecho que cuando más se aleja la técnica de fabricación
de una célula fotovoltaica de la estructura cristalina pura, más defectos estructurales
aparecerán en la sustancia semiconductora, los que aumentan el aprovechamiento de
las cargas libres, disminuyendo la eficiencia de conversión.
Para reducir este efecto, el espesor del material activo en
estas células es diez (10) veces menor que el de una célula de cSi. Esto, a su
vez, contribuye a bajar el costo.
Para compensar el bajo nivel de conversión los fabricantes
adicionan junturas, las que responden a diferentes frecuencias del espectro
luminoso. La compañía UNISOLAR apila tres junturas. La primera responde a la
zona del azul, la segunda al verde y la tercera al rojo, la de menor energía en
el espectro. Los depósitos activos se hacen sobre una lámina continua de acero
inoxidable de bajo espesor que permite que las células sean flexibles. Si se
requiere una estructura rígida se les agrega un marco metálico. La compañía
British Petroleum (BP) ofrece un modelo similar que usa dos capas conversoras.
Pérdidas de energía luminosa
Estas pérdidas ocurren fuera del material semiconductor. Su
mención y análisis ayudarán al lector a entender algunos detalles auxiliares
contenidos en las hojas de especificaciones.
Consideraremos:
La superficie colectora de una célula de cSi actúa como un
espejo, reflejando hasta el 30% de la luz incidente. Para disminuír la
reflectancia, la superficie de colección recibe una capa antireflectiva de
monóxido de silicio (SiO), la que disminuye la reflectancia a un 10%. Una
segunda capa baja la reflectancia a un 4%, pero incrementa el costo. La
necesidad de una capa antireflectiva se extiende a todo tipo de células, si bien
el tratamiento es diferente.
El contacto ubicado sobre la superficie colectora utiliza una
rejilla metálica, de trazos finos, la que contribuye a disminuir el área activa
de la célula. A este problema se lo conoce como el “sombreado” de los contactos
y no debe confundirse con el sombreado externo sobre el área colectora. Esta
reducción, en células modernas, varía entre un 3 y un 5% de la superficie
activa. Un fabricante ha anunciado la producción de células sin rejillas
frontales (Sun Power).
Tensión, corriente y potencia
El voltaje de juntura depende exclusivamente del material usado
(nivel de Fermi para el cristal usado). Para las células de silicio este valor
es de alrededor de 0,5 V. Como las cargas son impulsadas por un campo eléctrico
fijo, el voltaje de una celda FV es de corriente continua (CC). Por lo tanto,
hay un lado positivo (lado P) y otro negativo (lado N), asumiendo que la
corriente circula en sentido opuesto al de los electrones.
El valor de la corriente dependerá del valor de la carga, la
irradiación solar, la superficie de la celda y el valor de su resistencia
interna.
En un instante determinado, la potencia eléctrica proporcionada
por la célula FV está dada por el producto de los valores instantáneos del
voltaje y la corriente de salida.
Forma geométrica
El método de fabricación determina, en gran parte, la forma
geométrica de la célula FV.
Las primeras versiones de cSi eran redondas, pues el cristal
puro tenía una sección circular. Versiones más recientes tienen forma cuadrada,
o casi-cuadrada, donde las esquinas tienen vértices a 45°.
Las células de pSi son cuadradas porque el molde donde se
vierte el semiconductor fundido tiene esta forma.
La forma cuadrada permite un mayor compactado de las mismas
dentro del panel fotovoltaico, disminuyendo la superficie que se necesita para colocar un
determinado número de células (Figura 4).
Figura 4 – Eficiencia de empaque |
