Conceptos básicos Efecto fotovoltaico: conversión de luz en electricidad. Efecto fotovoltaico: conversión de luz en electricidad. Materia: constituida por átomos Materia: constituida por átomos Núcleo: carga eléctrica positiva y neutrones. Núcleo: carga eléctrica positiva y neutrones. Electrones: carga eléctrica negativa. Los electrones de la última capa son electrones de valencia que al unirse con otro forman redes cristalinas. Electrones: carga eléctrica negativa. Los electrones de la última capa son electrones de valencia que al unirse con otro forman redes cristalinas.
Átomo de Bohr (Rutherford)
Orbitales
Orbitales
Números Cuánticos
Tipos de materiales Conductores: electrones de valencia poco ligados al núcleo. Conductores: electrones de valencia poco ligados al núcleo. Semiconductores: electrones de valencia más ligados al núcleo. Semiconductores: electrones de valencia más ligados al núcleo. Aislantes: configuración muy estable. Aislantes: configuración muy estable. Los materiales usados en las celdas solares son los semiconductores.
Clasificación de los sólidos basado en grado de orden atómico Columna IV II I VIIVIVI
Metaloides (semiconductores)
Materiales Semiconductores Clasificación GeneralEjemplos Especificos Semiconductores simples Si, Ge Compuestos III-V AlP, AlAs, AlSb, GaN, GaAs, GaSb, InP, InAs, InSb Compuestos II-VI ZnO, ZnS, ZnSe, ZnTe, CdS, CdSe, CdTe, HgS Aleaciones Al x Ga 1-x As, GaAs 1-x P x, Hg 1-x Cd x Te, Ga x In 1 As 1-y P y
Modelo de enlace en semiconductores Cada línea representa un electrón de valencia compartido Átomo único Silicio Modelo 3D Modelo de Enlace Cada círculo representa la estructura interna del átomo semiconductor (Ej Silicio) -Enlace covalente -Modelo válido a T= 0K
Representaciones en el modelo de enlace Representación de la liberación de un electrón Representación de un átomo faltante
Estructura semiconductores Materiales: Si, Ge, P, As. Materiales: Si, Ge, P, As. Estructura del Si: Estructura del Si: segundo elemento del planeta más abundante. segundo elemento del planeta más abundante. 14 electrones y 14 protones, 4e - de valencia. 14 electrones y 14 protones, 4e - de valencia. se presenta en la naturaleza de dos formas distintas, una amorfa y otra cristalizada se presenta en la naturaleza de dos formas distintas, una amorfa y otra cristalizada
Representaciones en modelo de bandas EcEc EvEv EcEc EvEv EcEc EvEv Completamente lleno vacío Sin portadores Pérdida del electrón Hueco resultante
Modelo simplificado de bandas de energía EcEc EvEv E c : Mínima energía para pasar a la banda de conducción E v : Máxima energía para permanecer en la banda de valencia Desplazamiento en el cristal X Y Nivel de Energía *Diferencia de materiales: anchura de banda prohibida
Modelo de bandas para distintos tipos de materiales EcEc EvEv EcEc EvEv EcEc EvEv Pocos electrones amplia E g ~8 eV (SiO 2 ) Eg~8 eV (Diamante) E g ~1.42 eV (GaAs) Eg~1.12 eV (Si) Eg~ 0.66 eV (Ge) EcEc EvEv Muy estrecha Superpuesta Aislantes Semiconductores Metales
Dopado: Dopantes comunes de silicio Donadores (elementos columna V) Aceptadores (elementos columna III) PB AsGa Sb In Al
Semiconductor Intrínseco Celda elemental de Si: Celda elemental de Si: se unen 5 átomos del material, enlace covalente. se unen 5 átomos del material, enlace covalente. no hay electrones libres, por lo cual se denomina conductor intrínseco o “tipo I”. no hay electrones libres, por lo cual se denomina conductor intrínseco o “tipo I”.
Acción donadora y aceptadora P+P+ B-B- Acción donadora Acción aceptadora
Semiconductor “tipo N” Si incorporamos una impureza, P (5 electrones de valencia) habrá un electrón libre. Si incorporamos una impureza, P (5 electrones de valencia) habrá un electrón libre. El material tendrá exceso de cargas negativas. El material tendrá exceso de cargas negativas.
Semiconductor “tipo P” Si incorporamos B (3 electrones de valencia) aparecerá un hueco. Si incorporamos B (3 electrones de valencia) aparecerá un hueco. No se produce enlace covalente y hay exceso de cargas positivas. No se produce enlace covalente y hay exceso de cargas positivas.
La unión P-N La unión P-N en equilibrio Semiconductor tipo PSemiconductor tipo N
La unión P-N La unión P-N en equilibrio Semiconductor tipo PSemiconductor tipo N Barrera de Potencial Al unir un semiconductor tipo P con uno de tipo N aparece una zona de carga espacial denominada ‘barrera de potencial’. Que actúa como una barrera para el paso de los portadores mayoritarios de cada zona.
La unión P-N
La unión P-N polarizada inversamente La zona de transición se hace más grande. Con polarización inversa no hay circulación de corriente. P N
La unión P-N La unión P-N polarizada en directa La zona de transición se hace más pequeña. La corriente comienza a circular a partir de un cierto umbral de tensión directa. P N +
La unión P-N La unión P-N polarizada en directa La recombinación electrón-hueco hace que la concentración de electrones en la zona P disminuya al alejarse de la unión. P N + Concentración de huecos Concentración de electrones
La unión P-N Conclusiones: AAplicando tensión inversa no hay conducción de corriente AAl aplicar tensión directa en la unión es posible la circulación de corriente eléctrica P N DIODO SEMICONDUCTOR
pn ánodocátodo AK Símbolo I S = Corriente Saturación Inversa K = Cte. Boltzman V D = Tensión diodo q = carga del electrón T = temperatura (ºK) I D = Corriente diodo Silicio Germanio Curva del diodo V [Volt.] i [mA] 0.5 Ge Si
FIN