El efecto de la longitud de onda en las células fotovoltaicas

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Actualizado el 15 de diciembre de 2020

Por Chris Deziel

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 brilla la luz. 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 una placa fotoeléctrica no dependía de la intensidad de la luz (amplitud), como predecía la teoría ondulatoria, sino de la frecuencia, que es la inversa de la 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. De la misma manera, 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 en la energía de los electrones

La explicación de Einstein del efecto fotoeléctrico ayudó a establecer el modelo cuántico de la 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 el recíproco 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 en las capas más externas. Estos electrones quedan entonces 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 la radiación ultravioleta y los 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 del sol 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 cuán brillante o tenue sea la luz. Solo tiene que tener, como mínimo, la longitud de onda de la celda solar. La radiación ultravioleta de alta energía puede penetrar las nubes, lo que significa que las células solares deberían funcionar en los días nublados, y lo hacen.

Función de trabajo y brecha de banda

Un fotón debe tener un valor de energía mínimo para excitar a los electrones lo suficiente como para sacarlos de sus orbitales y permitirles moverse libremente. En un material conductor, esta energía mínima se denomina 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, dopar silicio con antimonio crea un semiconductor de tipo N, y dopar con boro crea un semiconductor de tipo P. Los electrones eliminados 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 llevarlo a 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 banda prohibida. Esto es diferente para diferentes materiales. Es de 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 banda prohibida es 1,78 × 10-19 julios Reorganizar la ecuación de Plank y resolver la longitud de onda te dice la longitud de onda de la luz que corresponde a esta energía:

w=\frac{hc}{E}=1,110\text{ nanómetros}=1.11\times 10^{-6}\text{ metros}

Las longitudes de onda de la luz visible se encuentran entre 400 y 700 nm, por lo que la longitud de onda del ancho de banda de las células solares de silicio está en el rango infrarrojo 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 celda 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 unos 3 eV) envían electrones fuera de la banda de conducción y los hacen incapaces de trabajar. El umbral de longitud de onda superior para obtener trabajo útil del efecto fotoeléctrico en paneles solares depende de la estructura de la celda solar, los materiales utilizados en su construcción y las características del circuito.

Longitud de onda de energía solar y eficiencia celular

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 debido a las 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 celda sin encontrar un electrón. Para reducir las pérdidas por reflectividad y aumentar la eficiencia, los fabricantes de celdas solares suelen recubrir las celdas con un material no reflectante que absorbe la luz. Esta es la razón por la que las células solares suelen ser negras.

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