El rincón de la Ciencia nº 18 (Octubre-2002)
Fundamentos físicos de las células solares  (RC-47)

Carlos Macho Antolín, IES La Cabrera  (La Cabrera, Madrid)


¿De qué están hechas?

Las células solares (en adelante C L), también denominadas células fotovoltaicas, se construyen con semiconductores, que como su nombre indica: ni son materiales conductores ni aislantes.

Los dos elementos semiconductores más importantes son el germanio, Ge, y el silicio, Si. Ambos, a temperatura ambiente, tienen muy pocos electrones libres, que son los responsables de su pequeña conductividad.

¿Cuál es la diferencia principal entre un metal, un aislante y un semiconductor?

En un trozo de metal, los electrones exteriores de sus átomos pueden moverse libremente, están deslocalizados. En términos energéticos quiere decir que los electrones de la última capa del átomo ocupan niveles de energía altos que les permiten escaparse del enlace que les une a su átomo. El conjunto de estos niveles, muy próximos unos de otros, forman parte de la llamada: banda de conducción (en adelante BC). Esta banda está formada, además, por niveles de energía vacíos, y es  la existencia de estos niveles la que permite que los electrones puedan saltar a ellos cuando se les pone en movimiento, al aplicar un campo eléctrico, por ejemplo,  originándose una corriente eléctrica -decimos que los metales son conductores de la electricidad. Los demás electrones del átomo, con energías  menores, forma la banda de valencia (BV). La distancia entre ambas bandas, en términos de energía, es nula; ambas bandas se solapan de manera que los electrones de la BV con más energía  se encuentran, también, en la BC. 

En las sustancias aislantes la BC está vacía porque todos los electrones, incluidos los de la última capa están ligados al átomo, tienen una energía más baja, y por lo tanto se encuentran en la banda de valencia, y además la distancia entre las bandas (llamada banda prohibida, o gap) es grande, con lo que les es muy difícil saltar a la BC.Como la BV está llena, los electrones no pueden moverse y no puede haber corriente eléctrica. 

En los semiconductores, la BC tiene muy pocos electrones; contribuye a ello el que la separación que hay entre la BV y la BC  no es nula pero pequeña. Así se explica que los semiconductores aumentan su conductividad con la temperatura, pues la energía térmica suministrada es suficiente para que los electrones puedan saltar a la banda de conducción, mientras que los conductores la disminuyen, debido  a que las vibraciones de los átomos aumentan y dificultan la movilidad de los electrones. 

Lo interesante de los semiconductores es que su pequeña conductividad eléctrica es debida tanto a la presencia de electrones en la BC como a que la BV no está totalmente llena. 


Las C. S. emplean el Si en su fabricación.

¿Cómo es la estructura de un trozo de silicio?

El Si es el elemento 14 de la tabla periódica, por lo tanto, tiene 14 electrones en su corteza; de ellos, 4 se encuentran en la última capa. En un trozo de Si puro cada átomo está enlazado a otros 4 en una estructura tetraédrica (ver figura), la misma que presenta el diamante. Esa estructura se prolonga a lo largo y ancho del trozo de Si formando una estructura cristalina (no confundir con el vidrio).

Si un fotón de un rayo de luz que incida sobre el Si tiene la suficiente energía, puede impulsar a un electrón de la BV a la BC, aunque el tiempo que suele permanecer en ella es muy pequeño regresando, cayendo, a la BV.

Para conseguir que los electrones puedan saltar con facilidad a la BC y permanezcan allí, se añaden impurezas al Si. Consiste en colocar en el cristal de Si algunos átomos de otro elemento: Fósforo, Boro, Galio, etc. Este proceso recibe el nombre de “dopaje”. Si el elemento que se añade tiene 5 electrones en su última capa, como el fósforo, 4 electrones se emplean en los enlaces con los 4 átomos de Si vecinos, el 5º queda parcialmente libre, con lo que, desde el punto de vista energético, se coloca muy cerca de la BC y la conductividad del Si aumenta; se obtiene así Si tipo n (Si-n). Si la impureza que se añade es un elemento con 3 electrones en la última capa entonces falta uno para completar los 4 enlaces con los átomos de Si vecinos, originándose un hueco. A este hueco puede desplazarse un electrón de un átomo vecino, y así sucesivamente, el hueco se puede desplazar por todo el cristal; o dicho de otro modo, los electrones también se pueden desplazar aumentando con ello la conductividad del Si. Se obtiene así Si tipo p (Si-p).


 

La unión de una lámina de Si-n con otra de Si-p forma un diodo semiconductor. Las CS son diodos semiconductores.

¿Qué ocurre en un diodo semiconductor?

En el Si-n aparecen electrones en la BC, mientras que en el Si-p aparecen huecos. Los electrones atraviesan la unión y se combinan con los huecos. Van cargándose, el Si-n positivamente y el Si-p negativamente, con lo que aparece una diferencia de potencial que se opone al paso de más electrones. Cuando es lo suficientemente grande el flujo cesa. Todo esto ocurre en las cercanías de la unión “np”.


 

¿Cómo generan corriente eléctrica las células solares?

Las CS son diodos construidos de una manera especial. La lámina de Si-n se coloca arriba y es muy fina, la de Si-p debajo y es más gruesa. La luz incide en la lámina de Si-n. Los fotones incidentes comunican su energía a los electrones que saltan a la BC, originándose, con ello, también huecos. Debido a la diferencia de potencial en la unión “np” los electrones son repelidos hacia la superficie de arriba de la lámina de Si-n alejándose de la unión; y al contrario, los huecos son arrastrados al Si-p. Como resultado entre las superficies externas de ambas láminas de Si aparece una diferencia de potencial, que suele ser de 0.5 ó 0,6 Voltios.


 

Si conectamos la CS a un circuito externo, tendremos una corriente eléctrica.

    Para obtener mayores diferencias de potencial se conectan varias CS en serie. Si lo que queremos es obtener mayores intensidades de corriente, las C.S. se conectan en paralelo. Los paneles solares que se utilizan en las instalaciones solares llevan conectadas en serie y en paralelos las C.S. necesarias para conseguir los valores deseados (en torno a 12 V y 0,5 A).

    Por lo tanto, la energía que tienen el fotones incidente es transferida a los electrones, originándose, una diferencia de potencial que puede aplicarse a un circuito exterior. Se ha convertido la energía solar en energía eléctrica. Una célula solar es capaz de convertir hasta un 30% de energía solar en eléctrica. En un día claro, la energía solar incidente por metro cuadrado y por segundo es de 1000 W. 

¿Por qué las células solares son de color azul oscuro?

                                                             

           El Si tiene un índice de refracción alto. Esto significa que la luz incidente es reflejada casi en su totalidad, con lo que pocos fotones llegan al interior del Si. Para disminuir la reflexión, se aplica una capa antireflectante (sustancia con un índice de refracción entre el del Si y el aire). Así se consigue que la luz del rojo al verde entre en el Si y sólo se reflejen los rayos azules y violetas.