TEMAS SELECTOS DE LA ENERGIA SOLAR EXP. ING. JORGE HENRIQUEZ BLAS

ENERGIA SOLAR FOTOVOLTAICA La conversión directa de la energía solar en energía eléctrica se debe a la interacción de la radiación luminosa con los electrones en los materiales semiconductores, fenómeno conocido como efecto fotovoltaico.

CONCEPTOS BASICOS La materia esta constituida por átomos que tienen 2 partes bien definidas: Núcleo: carga eléctrica positiva Electrones: carga eléctrica negativa Los electrones giran alrededor del núcleo en distintas bandas de energía y compensan la carga positiva de esta. Los electrones de la ultima capa se llaman electrones de valencia y se relacionan con otros similares formando una red cristalina.

Eléctricamente hablando, existen 3 tipos de materiales: Conductores: los electrones de valencia están pocos ligados al núcleo y pueden moverse con facilidad dentro de la red cristalina, con un pequeño agente externo. Semiconductores: los electrones de valencia están mal ligados al núcleo pero basta una pequeña cantidad de energía para que se comporten como conductores. Aislantes: tienen una configuración muy estable, con los electrones de valencia que están muy ligados al núcleo, la energía necesaria para separarlos de este debe de ser muy grande.

SEMICONDUCTOR Se sabe que todos los materiales tienen un numero atómico y nos dice la cantidad de electrones y protones que conforman un átomo. El numero máximo de electrones que puede haber en cada capa de valencia esta dada por la siguiente ecuación: Ne=2 𝑛 2 Ejemplo: El cobre tiene Z 29; por lo tanto: Capa 1: Ne=2 (1) 2 = 2e Capa 2: Ne=2 (2) 2 = 8e Capa 3: Ne=2 (3) 2 = 18e Σ = 28e Por lo tanto, en la capa 4 habrá 1e.

Entonces los átomos de los materiales únicamente se simbolizan así, y se le conoce como Diagrama Equivalente. Átomo de silicio Átomo de germanio Z = 14 Z = 32

Átomo de silicio Átomo de germanio Z = 14 Z = 32 Hay similitud entre el germanio y el silicio, y a pesar que el átomo de germanio tiene una capa mas que el silicio, ambos son utilizados como materiales semiconductores. El silicio abunda mas en el planeta, por eso que es utilizado con mayor frecuencia por los fabricantes.

Cuando se aproximan los átomos de silicio, forman un cristal Cuando se aproximan los átomos de silicio, forman un cristal. Las capas de valencia se juntan y comparten un electrón con los otros átomos vecinos. Este tipo de semiconductor se le conoce como semiconductor puro, donde todos y cada uno de sus átomos son del mismo elemento. Los semiconductores puros reciben el nombre de semiconductores intrínsecos. Denominación de hueco: cuando un cristal de silicio se le excita mediante energía externa, puede existir un electrón libre, la salida de este genera un vacío en la capa y se llama hueco y se comporta como carga positiva y atraerá a cualquier electrón libre.

Semiconductor extrínseco: para cambiar su composición e incrementar su conductividad, es necesario dopar el cristal de silicio con impurezas. Se le agrega un pentavalente, es decir un átomo con 5 electrones en la ultima capa (por ejemplo fosforo Z=13, arsénico Z= 33), esto hará que haya mas electrones libres por estas impurezas donadoras, a este tipo de semiconductor se le conoce como semiconductor tipo N, por lo que aporta 1 carga negativa.

Pero también se le puede agregar impurezas con estructura trivalente, es decir con 3 electrones de valencia en la ultima capa como el boro Z=5, aluminio Z=13; en este caso donara un hueco, por lo tanto se le llamara impureza aceptadora, llamado semiconductor tipo P.

Unión tipo P-N Para conseguir una unión tipo p-n, se pone en contacto una superficie de semiconductor tipo N con la de un semiconductor tipo P.

En el momento en que ambos tipos de impurezas entran en contacto en el interior del semiconductor ocurre algo muy singular. Los electrones libres del cristal tipo N se difunden (se dispersan) hacia el cristal tipo P atraídos por los huecos positivos de este, y comienzan a ocupar dichos huecos nada más entrar en el cristal.

Tenemos que entender que cuando un electrón libre de la región N penetra en la región P se convierte en un portador minoritario que de pronto se encuentra rodeado de huecos por todos lados. Ese electrón no va a tardar mucho en recombinarse con uno de esos huecos en la región P. Debido a esto aparecerán mas iones positivos en la región N, pero también mas iones negativos en la región P.

Pero esta "fuga" de electrones va perdiendo intensidad, ya que los iones creados en ambas partes del cristal establecen una diferencia de potencial interna que poco a poco va imponiendo su ley, presentando una oposición creciente al proceso de difusión por efecto del campo eléctrico generado.