Las células solares dependen de un fenómeno conocido como efecto fotovoltaico, descubierto por el físico francés Alexandre Edmond Becquerel (1820-1891). Está relacionado con el efecto fotoeléctrico, un fenómeno por el cual se expulsan electrones de un material conductor cuando la luz incide sobre él. Albert Einstein (1879-1955) ganó el Premio Nobel de Física en 1921 por su explicación de ese fenómeno, utilizando principios cuánticos que eran nuevos en ese momento. A diferencia del efecto fotoeléctrico, el efecto fotovoltaico tiene lugar en el límite de dos placas semiconductoras, no en una sola placa conductora. En realidad, no se expulsan electrones cuando la luz brilla. En cambio, se acumulan a lo largo del límite para crear un voltaje. Cuando conecta las dos placas con un cable conductor, fluirá una corriente en el cable.
El gran logro de Einstein, y la razón por la que ganó el Premio Nobel, fue reconocer que la energía de los electrones expulsados de un La placa fotoeléctrica dependía, no de la intensidad de la luz (amplitud), como predijo la teoría de las ondas, sino de la frecuencia, que es la inversa de longitud de onda. Cuanto más corta es la longitud de onda de la luz incidente, mayor es la frecuencia de la luz y más energía poseen los electrones expulsados. Del mismo modo, las células fotovoltaicas son sensibles a la longitud de onda y responden mejor a la luz solar en algunas partes del espectro que en otras. Para entender por qué, es útil revisar la explicación de Einstein del efecto fotoeléctrico.
El efecto de la longitud de onda de la energía solar sobre la energía electrónica
La explicación de Einstein del efecto fotoeléctrico ayudó a establecer el modelo cuántico de luz. Cada haz de luz, llamado fotón, tiene una energía característica determinada por su frecuencia de vibración. La energía (E) de un fotón viene dada por la ley de Planck: E = hf, donde f es la frecuencia y h es la constante de Planck (6.626 × 10−34 julio ∙ segundo). A pesar de que un fotón tiene naturaleza de partícula, también tiene características de onda, y para cualquier onda, su frecuencia es recíproca de su longitud de onda (que aquí se denota por w). Si la velocidad de la luz es c, entonces f = c / w, y la ley de Planck se puede escribir:
E = \ frac {hc} {w}
Cuando los fotones inciden sobre un material conductor, chocan con los electrones de los átomos individuales. Si los fotones tienen suficiente energía, eliminan los electrones de las capas más externas. Estos electrones quedan libres para circular a través del material. Dependiendo de la energía de los fotones incidentes, pueden ser expulsados del material por completo.
Según la ley de Planck, la energía de los fotones incidentes es inversamente proporcional a su longitud de onda. La radiación de longitud de onda corta ocupa el extremo violeta del espectro e incluye radiación ultravioleta y rayos gamma. Por otro lado, la radiación de longitud de onda larga ocupa el extremo rojo e incluye radiación infrarroja, microondas y ondas de radio.
La luz solar contiene un espectro completo de radiación, pero solo la luz con una longitud de onda lo suficientemente corta producirá los efectos fotoeléctricos o fotovoltaicos. Esto significa que una parte del espectro solar es útil para generar electricidad. No importa qué tan brillante o tenue sea la luz. Solo tiene que tener, como mínimo, la longitud de onda de la célula solar. La radiación ultravioleta de alta energía puede penetrar las nubes, lo que significa que las células solares deberían funcionar en días nublados, y lo hacen.
Función de trabajo y brecha de banda
Un fotón debe tener un valor mínimo de energía para excitar los electrones lo suficiente como para sacarlos de sus orbitales y permitirles moverse libremente. En un material conductor, esta energía mínima se llama función de trabajo y es diferente para cada material conductor. La energía cinética de un electrón liberado por la colisión con un fotón es igual a la energía del fotón menos la función de trabajo.
En una celda fotovoltaica, dos materiales semiconductores diferentes se fusionan para crear lo que los físicos llaman una unión PN. En la práctica, es común usar un solo material, como el silicio, y doparlo con diferentes químicos para crear esta unión. Por ejemplo, el dopado de silicio con antimonio crea un semiconductor de tipo N, y el dopado con boro crea un semiconductor de tipo P. Los electrones que salen de sus órbitas se acumulan cerca de la unión PN y aumentan el voltaje a través de ella. El umbral de energía para sacar un electrón de su órbita y entrar en la banda de conducción se conoce como banda prohibida. Es similar a la función de trabajo.
Longitudes de onda mínimas y máximas
Para que se desarrolle un voltaje a través de la unión PN de una celda solar. la radiación incidente debe exceder la energía de la banda prohibida. Esto es diferente para diferentes materiales. Son 1,11 electronvoltios para el silicio, que es el material más utilizado para las células solares. Un electrón voltio = 1,6 × 10-19 julios, por lo que la energía de la banda prohibida es 1,78 × 10-19 julios. Reorganizar la ecuación de Plank y resolver la longitud de onda le indica la longitud de onda de la luz que corresponde a esta energía:
w = \ frac {hc} {E} = 1110 \ text {nanómetros} = 1,11 \ times 10 ^ {- 6} \ text {metros}
Las longitudes de onda de la luz visible ocurren entre 400 y 700 nm, por lo que la longitud de onda del ancho de banda para las células solares de silicio está en el rango del infrarrojo muy cercano. Cualquier radiación con una longitud de onda más larga, como las microondas y las ondas de radio, carece de energía para producir electricidad a partir de una célula solar.
Cualquier fotón con una energía superior a 1,11 eV puede desalojar un electrón de un átomo de silicio y enviarlo a la banda de conducción. En la práctica, sin embargo, los fotones de longitud de onda muy corta (con una energía de más de aproximadamente 3 eV) envían electrones fuera de la banda de conducción y los hacen no disponibles para trabajar. El umbral de longitud de onda superior para obtener un trabajo útil del efecto fotoeléctrico en los paneles solares depende sobre la estructura de la célula solar, los materiales utilizados en su construcción y el circuito caracteristicas.
Eficiencia celular y longitud de onda de energía solar
En resumen, las células fotovoltaicas son sensibles a la luz de todo el espectro siempre que la longitud de onda esté por encima de la banda prohibida del material utilizado para la célula, pero se desperdicia luz de longitud de onda extremadamente corta. Este es uno de los factores que afecta la eficiencia de las células solares. Otro es el grosor del material semiconductor. Si los fotones tienen que viajar un largo camino a través del material, pierden energía a través de colisiones con otras partículas y es posible que no tengan suficiente energía para desalojar un electrón.
Un tercer factor que afecta la eficiencia es la reflectividad de la celda solar. Una cierta fracción de la luz incidente rebota en la superficie de la célula sin encontrar un electrón. Para reducir las pérdidas debidas a la reflectividad y aumentar la eficiencia, los fabricantes de células solares generalmente las recubren con un material no reflectante que absorbe la luz. Por eso, las células solares suelen ser negras.
