diodo semiconductor fotovoltaica revfinal
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Diodo semiconductor. Célula fotovoltaica
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Diodo semiconductor. Unión P-N
Teoría de los semiconductores aplicada a las placas fotovoltaicas
Introducción
Los semiconductores son “malos” conductores de la corriente eléctrica, y estos elementos
pertenecen al grupo que tienen cuatro electrones en su última capa. Como son, el germanio
(Ge) y el Silicio (Si). Son malos conductores debido a la fuerte estructura cristalina que forman
con sus enlaces covalentes, siendo muy difícil arrebatarles electrones.
El silicio está presente de manera natural en la arena.
Silicon Valley
¿Pero, qué ocurre cuando se les dopa de impurezas (elementos de diferentes características)?
Cuando se introducen impurezas al cristal de Si, aumenta la conductividad del cristal.
Cristal de Silicio PURO
Cristal de Si
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La estructura formada es tan fuerte, que es muy difícil, arrancar electrones. Forman una estructura
químicamente estable, al tener en la última capa ocho electrones, debido al enlace covalente.
La energía a temperatura ambiente (300º K, 27ºC) es capaz de arrancar algún electrón de los
enlaces, pero el hueco que deja el electrón es ocupado por electrón de los átomos más
próximos. Creándose una pequeña corriente errática, llamada corriente intrínseca (pura).res
Un cristal de Si, carece de electrones libres y no es conductor, solo a temperaturas altas se
producen las corrientes intrínsecas.
Nota: los semiconductores se comportan como un aislante en el cero absoluto
Cargas en el cristal de Si puro
+, huecos y -, electrones libres. Generación de huecos y electrones libres. Hay muy
pocos, son debidos a la generación intrínseca.
Cristal N
Si al cristal N, le dopamos con impurezas pentavalentes, p.e, antimonio o fósforo, que tiene
cinco electrones en la última capa, se crearán electrones libres, que favorecerán la conducción.
Son sustancias donadoras, pues ceden un electrón al cristal, siendo un electrón libre.
Se le llama semiconductor extrínseco tipo N
Cada átomo de Sb (antimonio) se integra en el cristal, compartiendo cuatro electrones y
uniéndose a un átomo de Si, quedando un electrón libre de enlace, el del P.
Por lo tanto, en el cristal N, habrá
Iones donadores o iones positivos (átomos de Sb), donan electrones al cristal , que
son los electrones libres ( que no crean huecos, ya que no están ligados)
Átomo s de Si
Por cada átomo de Sb, que se integra en el cristal se crea un ión positivo y un electrón libre
(ver el círculo de color rojo sin compartir). Los iones permanecen fijos, anclados en el cristal, y
no intervienen en la conducción.
La carga neta eléctrica en el cristal será nula.
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Cristal N. Si dopado con impurezas de SB
Al aplicar energía a los electrones libres, estos serán desplazados por el cristal creándose
mayor conductividad que en el caso del cristal puro.
Si a un semiconductor tipo-N le aplicamos una diferencia de potencial o corriente eléctrica en
sus extremos, los electrones libres portadores de cargas negativas contenidos en la sustancia
impura aumentan. Bajo esas condiciones es posible establecer un flujo de corriente electrónica
a través de la estructura cristalina del semiconductor si le aplicamos una diferencia de potencia
o corriente eléctrica.
No obstante, la posibilidad de que al aplicárseles una corriente eléctrica los electrones se
puedan mover libremente a través de la estructura atómica de un elemento semiconductor es
mucho más limitada que cuando la corriente fluye por un cuerpo metálico buen conductor.
Cargas en el tipo N, ( No olvidarse de los átomo de Si, 1 de P/ 100 6 de Si.)
+, Huecos, cargas minoritarias. Muy pocos, son debidos a la generación intrínseca entre
átomos de Si.
-, Electrones libres, cargas mayoritarias. Gran cantidad, uno por cada átomo de impureza y
algunos pocos creados por la generación intrínseca. Estos electrones libres no crean huecos.
CRISTAL TIPO N
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+ , Iones positivos (Sb)
Cristal P
Si al cristal de Si, le dopamos con impurezas trivalentes, p.e , el galio, Ga, que tiene tres
electrones en la última capa, se crearán huecos (cargas positivas), que favorecerán la
conducción. Son sustancias aceptadoras, pues roban un electrón a un átomo próximo de Si,
convirtiéndose en un ión negativo.
Se le llama semiconductor extrínseco tipo P
Por lo tanto, en el cristal P, habrá
Iones aceptadores o iones negativos (átomos de Ga), aceptan electrones del cristal de
Si. Creando huecos en los átomos de Si.
Átomos de Si
Los iones permanecen fijos, anclados en el cristal, y no intervienen en la conducción.
Por cada átomo de Ga, que se integra en el cristal se crea un ión negativo y un La carga neta
eléctrica en el cristal será nula.
Cristal P. Si dopado con impurezas de Ga
En esas condiciones, quedará un hueco con defecto de electrones en la estructura. cristalina
de silicio, convirtiéndolo en un semiconductor tipo-P (positivo) provocado por el defecto de.
electrones en la estructura.
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Cargas en el cristal tipo P, ( No olvidarse de los átomo de Si, 1 de Ga/ 100 6 de Si.)
+, Huecos, cargas mayoritarias. Gran cantidad de huecos. Uno por cada átomo de impureza
Muy pocos son debidos a la generación intrínseca
-, Electrones, cargas minoritarias.
Muy pocos son debidos de la generación intrínseca
- , Iones negativos (Ga).
Unión de los dos cristales. Unión PN. Recombinación de cargas en las proximidades
de la unión.
CRISTAL TIPO P
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La recombinación consiste en la combinación de huecos y electrones libres, formando átomos
estables. Es, cómo si se extinguiesen las cargas.
Al unir los dos cristales, tipo P y tipo N, en las proximidades de la unión se crea una
recombinación de cargas, hasta que llega un momento que en la unión se crea un campo
eléctrico E, que ya no permite dicha recombinación, creándose una zona que recibe el nombre
de barrera de potencial, región de agotamiento, barrera de unión o carga espacial. Cuando la
magnitud de este campo alcanza un valor (0.7 V para el Si o 0.3 V para el Ge), cesa la difusión
de cargas, ya que los electrones no tienen suficiente energía para vencer el campo, y se
produce el equilibrio en el resto del cristal.
Final de la recombinación
E0 (creación del campo)
Recombinación, y
así con todos
cercanos a la
unión
E (final de la creación del campo), E > E0, momento en que cesa la
recombinación,
E
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Actuación de un campo eléctrico E, sobre cargas eléctricas
Para hacer que lo electrones libres pasen a través de la unión o los extraigamos fuera del cristal,
tendremos que vencer el campo eléctrico E, y para ello hay dos formas:
Polarización directa de la unión, que no es nuestro caso
Incidencia de energía solar en el cristal produciéndose el efecto fotoeléctrico
Celda solar o módulo fotovoltaico. Funcionamiento
El funcionamiento de una celda solar, también llamada célula fotovoltaica se basa en el principio
del efecto fotoeléctrico.
El efecto fotoeléctrico consiste en la liberación de un electrón de un átomo cuando en él incide
un fotón (partícula de la luz).
El efecto fotovoltaico liberará el electrón del cristal, generando una corriente eléctrica.
Nota: En este dibujo al contrario que en los anteriores, las cargas libres están rodeadas por un
círculo y lo iones fijos quedan representados sin rodearlos.
Átomos de Si
E
E
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Si colocamos una carga entre los terminales de la célula, se producirá corriente eléctrica
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Características de una célula o módulo fotovoltaico
Pmp: Potencia máxima o potencia pico
El parámetro estandarizado para clasificar su potencia se denomina potencia pico, y se
corresponde con la potencia máxima que el módulo puede entregar bajo unas condiciones
estandarizadas, que son:
Radiación de 1000 W/m²
Temperatura de célula de 25 °C (no temperatura ambiente).
Imp: Intensidad máxima o intensidad pico
Vmp: tensión máxima o tensión de pico
Voc: Tensión a circuito abierto
Isc: Intensidad en cortocircuito
FF: Factor de forma
Factor de forma FF que es la relación entre Pmax y el producto Isc x Voc. Da una idea de las prestaciones reales del panel. Entre dos paneles definidos por una misma Pmax, suministrará más potencia aquel cuyo FF se aproxime más a la unidad. Cuanto más se asemeja la curva I = f (V), al rectángulo cuya área es equivalente a la potencia máxima de la célula, más eficiente será dicha célula.
Rendimiento o relación entre potencia suministrada y la radiación solar disponible (w/m2).
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Los cuatro valores citados arriba de Intensidad y Tensión son suministrados por el fabricante para unas condiciones determinadas que son: 1 Kw/m2 de intenidad, potencia o irradiancia solar y una temperatura del módulo de 25ºC. Sin embargo en condiciones de trabajo reales Isc y Voc varían.
Otros conceptos
Radiación solar: conjunto de radiaciones electromagnéticas emitidas por el sol, en un espectro desde el infrarrojo hasta el ultravioleta.
Irradiancia: es la magnitud que describe la radiación solar que llega hasta nosotros (no toda la radiación llega a la superficie de la tierra). Es la potencia recibida por unidad de superficie. Se suele medir en W/m2 o unidades equivalentes.
Irradiación: es la cantidad de irradiancia recibida en un lapso de tiempo determinado, es la potencia*tiempo recibida por unidad de superficie. Se suele medir en Wh/m2 o unidades equivalentes. Hora Solar Pico (HSP): es una forma cómoda y simplificada de expresar la irradiación diaria, equivalente a las horas al día que la irradiación ha sido de 1000 W/m2.
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Las condiciones de funcionamiento de un módulo fotovoltaico dependen de algunas variables
externas como la radiación solar y la temperatura de funcionamiento, por ello, para medir y
comparar correctamente los diferentes módulos fotovoltaicos, se definen unas condiciones de
trabajo nominal o estándar.
La suma total de la energía que produce el Sol durante un día medio en España es del orden de
4 h pico, lo que supone en verano entre 6 h y 8 h dependiendo de la zona y entre 2 h y 4 h
durante el invierno según la región.
La radiación varía según el momento del día. Sin embargo, también puede variar
considerablemente de un lugar a otro, especialmente en regiones montañosas. La radiación
fluctúa entre un promedio de 1.000 kWh/m2 al año, en los países del norte de Europa, a 2.500
kWh/m2 al año, en las zonas desérticas. Estas variaciones se deben a las condiciones climáticas
y a la diferencia con respecto a la posición relativa del sol en el cielo (elevación solar), la cual
depende de la latitud de cada lugar (orientación y ángulo de inclinación).
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Orientación
Un panel solar genera electricidad incluso en ausencia de luz solar directa. Sin embargo, las
condiciones óptimas de operación implican: la presencia de luz solar plena y un panel
orientado lo mejor posible hacia el Sol, con el fin de aprovechar al máximo la luz solar directa.
En el Hemisferio Norte, el panel deberá orientarse hacia el sur y en el Hemisferio Sur, hacia el
Norte.
La inclinación que deben tener los módulos fotovoltaicos siempre será función de: la Latitud
del lugar. Existen varias teorías sobre la colocación de las mismas pero la que más se usa es la
que a continuación se detalla.
El ángulo de elevación respecto al suelo β, igual al ángulo de la Latitud del lugar, α.
Si estamos en el Norte de España, orientaremos el panel hacia el Sur con un ángulo de
inclinación respecto al suelo igual a la latitud que nos encontremos.
Si estamos en el Sur de España en una latitud de 55º, inclinaremos el panel 55º sobre
la horizontal orientado al Norte.
Si estamos en el Ecuador cuya Latitud es de 0º, colocaremos el panel mirando hacia el
cielo.
Si estamos en los polos cuya latitud es de 90º, colocaremos el panel solar
verticalmente en el terreno.
Como recomendación, en el invierno 10º más el ángulo de elevación que el ángulo de
Latitud, y en el verano 10º menos.
Biografia: Mis apuntes y utilización de la red Internet
Fco Villafranca Gracia, es profesor del Departamento de Tecnología del IES Barañáin (Navarra)