Celda Fotovoltaica: Efecto Fotovoltaico

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CELDA FOTOVOLTAICA Una celda fotovoltaica o celda solar es un transductor activo o de autogeneración. Es un dispositivo que se utiliza para convertir la energía luminosa en energía eléctrica, ésta produce directamente un voltaje o una tensión de corriente continua que es proporcional a la luz incidente.

Figura 1.- Símbolo de la celda fotovoltaica. La construcción de una celda solar consiste en una unión p-n de material semiconductor altamente fotosensitivo, como selenio o silicio, situado entre dos electrodos conductores. Uno de los electrodos es cubierto de un material transparente y antireflejante, de esta manera deja pasar toda la radiación incidente en el material.

Figura 2.- Construcción de una Celda Solar. El material semiconductor (comúnmente silicio) es dopado con impurezas de fósforo y el material resultante contiene un exceso de electrones libres, los cuales pueden actuar como portadores de carga, este semiconductor es llamado tipo n. Similarmente, si el material semiconductor es dopado con impurezas de boro, entonces se volverá un material con vacantes de electrones también llamados huecos y se conoce como tipo p. La unión de ambos semiconductores dopados, forman un diodo o unión p-n, que es la generadora del voltaje a la salida de la celda fotovoltaica. EFECTO FOTOVOLTAICO El efecto fotovoltaico es el proceso físico, por el cual, la celda solar o fotocelda convierte la luz del sol en energía eléctrica. La luz solar está compuesta por fotones, estos fotones contienen diferentes cantidades de energía que corresponden a diferentes longitudes de onda del espectro solar. Cuando los fotones inciden en la celda solar, éstos son absorbidos y generan electricidad. Instituto Tecnológico de Sonora

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Figura 3.- Comportamiento molecular del semiconductor ante la incidencia de luz. La luz incidente hace que los electrones de la capa de valencia suban a la capa de conducción (figura 3), dependiendo del dopamiento del material semiconductor, será la cantidad de energía requerida para realizar dicho movimiento de electrones y por lo tanto, la respuesta espectral (longitudes de onda a la cual responde), se observan ejemplos en las figuras 4 y 5.

Figura 4.- Sensitividad espectral del silicio tipo “a” y “c” relativo al ojo humano.

Figura 5.- Respuesta espectral de varios materiales. Instituto Tecnológico de Sonora

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Ya formada la unión p – n del material (ver figura 6), la luz solar hace que se formen los pares electrón – hueco. Éstos están libres para formar parte de la corriente a través de la unión, finalmente se recombinan generando cargas eléctricas por cada átomo que gana o pierde un electrón. Deserción.

Figura 6.- Unión p – n. PRINCIPIO DE FUNCIONAMIENTO Debido a las curvas características de voltaje y corriente, bajo oscuridad este dispositivo opera en forma similar a un diodo (figura 7a). Cuando se incrementa la luz incidente en la fotocelda, la curva va modificándose, incrementándose la corriente inversa (debida a portadores minoritarios en la unión) por generación de par electrón-hueco y no así la directa (debido a portadores mayoritarios).

Fig. 7: Comportamiento de una celda fotovoltaica. Instituto Tecnológico de Sonora

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Considerando que la celda solar es un diodo partiremos de la ecuación del mismo: qVu I = Io⎛⎜ e kT − 1⎞⎟ ⎝ ⎠ Donde la corriente de unión (I) es proporcional a la corriente de saturación inversa (Io) y depende exponencialmente del voltaje de unión (Vu). Sin embargo, la celda fotovoltaica no se polariza (ni directa, ni inversamente), sino que ese voltaje es el que se usará como fuente por lo que es utilizada en el IV cuadrante de la curva V-I. Además la corriente inversa se incrementa conforme aumenta la intensidad de luz incidente, así: kT Vu = ln ( p + 1) q Donde se expresa que el voltaje de la unión (Vu) o voltaje de la celda fotoconductiva, es una función logarítmica de la iluminación o cantidad de fotones (p) incidentes.

La linealidad es afectada dependiendo de la resistencia de carga RL que se utilice. A circuito abierto, el voltaje (Vop) a la salida expresa una variación logarítmica (ver fig 7b) y a corto circuito, la corriente (Ish) a la salida expresa una variación lineal (ver fig 7c) pero poco sensitiva; razón por la cual se utiliza mucho un amplificador de baja impedancia de entrada, que sea un convertidor de corriente a voltaje para detectar las variaciones de iluminación de la celda. La relación entre el voltaje en circuito abierto y la luz incidente puede ser logarítmica, pero es afectada en gran medida por la variación de temperatura, haciéndolo inadecuado para aplicaciones de medición de intensidad de luz. APLICACIONES • Sistemas de vigilancia de calidad del agua. • La detección de la presencia de un objeto opaco, detectándolo al momento de incidir una luz y recibirla en la fotocelda, así cuando hay un objeto opaco presente enfrente de la fotocelda, no permite que la luz llegue a esta y eso hace que se produzca una variación de voltaje. • Para obtener una variación posición de un objeto. • Detección del grado de translucidez (capacidad de pasar la luz) o el grado de luminiscencia (capacidad de generar luz) de un fluido o de un sólido; algunos ejemplos de variables que pueden ser medidas de esta manera son densidad y concentración de algún compuesto químico específico. • Señalización (ferroviaria, marítima, etc.) • Postes de luz o de teléfonos de emergencia en carreteras. • Parquímetros.

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