En esta publicación brindaremos información acerca el efecto fotovoltaico, conceptos, funcionamiento y aplicaciones; este efecto ocurre por ejemplo en una célula fotovoltaica; para comprender mejor su funcionamiento es importante conocer el fenómeno en el que se basa, en este artículo también brindaremos información adicional acerca el efecto fotovoltaico, se explicará con mayor detalle cómo se genera la corriente eléctrica necesaria que puede formar parte de una red eléctrica, en primera instancia reforzaremos algunos conceptos para un mejor entendimiento.
¿Qué es el efecto fotovoltaico?
Damos nuestro concepto de efecto fotovoltaico: El efecto fotovoltaico es el fenómeno mediante el cual ciertos materiales semiconductores (como el silicio) generan electricidad cuando son expuestos a la luz solar. Este fenómeno ocurre a nivel atómico y se basa en la propulsión de electrones mediante la radiación electromagnética producida por los rayos solares. Este proceso permite la creación de un flujo de corriente eléctrica al conectarse a un circuito externo.
Este fenómeno es la base del funcionamiento de los paneles solares fotovoltaicos, que convierten directamente la energía solar en electricidad sin necesidad de partes móviles ni combustibles adicionales, lo que los hace una fuente limpia y renovable de energía.
Materiales que aprovechan el principio fotovoltaico
Llamados materiales semiconductores, el material semiconductor más utilizado en aplicaciones fotovoltaicas es el silicio. Los semiconductores son un tipo de material que conducen la electricidad solo bajo ciertas condiciones, dentro una célula fotovoltaica pueden diferenciarse en tipo p o tipo n. El semiconductor tipo p es aquel que tiende a captar carga positiva, mientras que el n, carga negativa.
Como ya hemos mencionado, dado el caso del material del que están fabricadas las células fotovoltaicas, se dispone de un material que está formado por dos semiconductores, de tipo p y n.
En estos materiales, los electrones, que normalmente no suelen moverse, reaccionan cuando un fotón con la suficiente energía permite que estos se liberen y puedan moverse. Este fotón es simplemente una partícula de luz.
Como consecuencia de esta reacción, se genera una corriente eléctrica de valor variable que conduce el movimiento de los electrones en la dirección y sentido de la unión p-n. Esto ocurre porque es más sencillo que los electrones se muevan en un sentido.
De este modo si utilizamos un circuito exterior, los electrones viajarán hasta llegar a la otra cara del material semiconductor. Por otra parte, se creará un campo eléctrico en el material, desde el lado n del semiconductor al p. Esto hace que se generen cargas positivas que dirigen los electrones hacia el lado p y de esta forma, provocar que se inyecten en el contacto eléctrico exterior. Así, se puede crear una corriente eléctrica que se mantenga, siempre que se esté en presencia de radiación solar. Cabe destacar que, cuanto mayor número de fotones exciten el material, mayor potencial se creará, hasta llegar al límite que permite la célula fotovoltaica.
Este efecto es la base de la energía solar fotovoltaica y fue el nacimiento de este tipo de energía.
Fundamentos del Efecto Fotovoltaico - Funcionamiento de los semiconductores
En una célula fotovoltaica, en términos generales el material semiconductor es el responsable de absorber la luz y generar electricidad, para este proceso citamos las siguientes etapas:
a. Absorción de fotones
Cuando la luz solar incide sobre el semiconductor, sus fotones pueden ser absorbidos si tienen una energía igual o superior a la banda prohibida del material, esto provoca la excitación de electrones desde la banda de valencia (donde están inicialmente ligados al material) hacia la banda de conducción, dejando atrás un hueco cargado positivamente.
b. Generación de pares electrón-hueco
La absorción de fotones crea pares electrón-hueco dentro del material, estos portadores de carga son los responsables de la conducción de corriente dentro de la célula fotovoltaica.
c. Separación de cargas por la unión p-n
Para que la corriente fluya en una dirección determinada, la célula fotovoltaica tiene una unión p-n, que consiste en dos regiones del semiconductor con diferente dopado:
- Región tipo p (positiva): Rica en huecos (dopada con elementos como boro).
- Región tipo n (negativa): Rica en electrones (dopada con elementos como fósforo).
El campo eléctrico generado en esta unión separa los electrones y huecos, evitando su recombinación.
d. Generación de corriente eléctrica
Los electrones son impulsados hacia el lado n, y los huecos hacia el lado p, estableciendo una diferencia de potencial, si se conecta un circuito externo, los electrones fluyen desde la capa n hacia la capa p a través de la carga, generando corriente eléctrica continua (DC).
¿Cuál es la diferencia entre el efecto fotoeléctrico y fotovoltaico?
Las principales diferencias entre el efecto fotovoltaico y el efecto fotoeléctrico radican en su mecanismo de generación de electricidad, el tipo de material involucrado y su aplicación práctica.
a. Efecto Fotovoltaico
Definición Sucinta: Es el fenómeno mediante el cual un material semiconductor genera una corriente eléctrica cuando absorbe luz.
Mecanismo: Un fotón incide sobre un material semiconductor (como el silicio) y excita a un electrón, permitiéndole saltar de la banda de valencia a la banda de conducción. Un campo eléctrico interno en la unión p-n separa los electrones y huecos, creando un flujo de corriente continua en un circuito externo.
Materiales Involucrados: Semiconductores (Silicio, Arseniuro de Galio, Telururo de Cadmio, Perovskitas, etc.).
Aplicaciones: Es la base del funcionamiento de los paneles solares fotovoltaicos, usados en la generación de electricidad a partir de la luz solar.
b. Efecto Fotoeléctrico
Definición Sucinta: Es la emisión de electrones desde la superficie de un material (generalmente un metal) cuando es irradiado por luz de alta energía.
Mecanismo: Un fotón con energía suficiente impacta sobre la superficie de un metal, transfiriendo su energía a un electrón, si la energía del fotón es mayor que la función trabajo del material, el electrón es expulsado del metal. No se genera una corriente por sí misma, sino que los electrones deben ser recolectados por un electrodo externo.
Materiales Involucrados: Metales (Cesio, Sodio, Potasio, etc.).
Aplicaciones: Se utiliza en células fotoeléctricas, sensores de luz, fotomultiplicadores, fotodetectores y en la base experimental de la mecánica cuántica.
c. Diferencia Clave
En el efecto fotovoltaico, los electrones se excitan y generan una corriente continua dentro de un material semiconductor, sin ser expulsados.
En el efecto fotoeléctrico, los electrones son expulsados del material metálico y no generan corriente interna sin una fuente externa.
Ambos efectos se basan en la interacción de la luz con la materia, pero tienen principios físicos y aplicaciones diferentes, mencionar también que estos efectos están muy relacionados. En primer lugar, hay que entender que el efecto fotoeléctrico es el encargado de generar electrones libres en presencia de luz solar.
Componentes de una Célula Fotovoltaica
Una célula solar fotovoltaica consta de varias capas diseñadas para maximizar la conversión de la luz solar en electricidad. Las principales capas son:
- Capa Antirreflectante: Reduce las pérdidas de luz debido a la reflexión.
- Contacto Frontal: Una rejilla metálica que permite el paso de la luz mientras recoge los electrones generados.
- Capa Semiconductora Tipo P: Rica en huecos, actúa como la región de aceptores.
- Capa Semiconductora Tipo N: Rica en electrones libres, actúa como la región de dónadores.
- Unión P-N: La región donde se genera el campo eléctrico interno.
- Sustrato y Contacto Posterior: Actúa como soporte estructural y recolecta las cargas negativas.
Aplicaciones del Efecto Fotovoltaico
- Generación de Energía Eléctrica: Plantas solares a gran escala, Instalaciones residenciales y comerciales.
- Electrificación Rural: Sistemas fotovoltaicos para comunidades alejadas.
- Aplicaciones Especializadas: Vehículos solares, Satélites y sistemas espaciales.
- Integración en Edificios: Tecnologías BIPV (Building Integrated Photovoltaics).
¿Quién descubrió el efecto fotovoltaico?
El físico francés Alexandre-Edmon Becquerel en el año 1839 fue quien descubrió este fenómeno. Es por ello que se le considera uno de los padres de la fotovoltaica.
Conclusiones
El efecto fotovoltaico es la base de la energía solar fotovoltaica, una tecnología esencial para un futuro energético sostenible. A pesar de los desafíos técnicos y las limitaciones en eficiencia, las mejoras continuas en materiales y diseños prometen un aumento significativo en el rendimiento de los sistemas fotovoltaicos. Como ingenieros y profesionales en energía sostenible, es crucial seguir innovando y promoviendo el uso de esta tecnología para mitigar los efectos del cambio climático y reducir la dependencia de los combustibles fósiles.
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