Download - Carro con panel solar proyeto Quimica 2015
Capítulo I
Objetivo
Conocer el funcionamiento de un panel solar basado en sus componentes y
comportamientos químicos
Estudio en la parte química del vehículo solar
Todos los cuerpos o elementos químicos existentes en la naturaleza poseen características
diferentes, agrupadas todas en la denominada “Tabla de Elementos Químicos”. Desde el
punto de vista eléctrico, todos los cuerpos simples o compuestos formados por esos
elementos se pueden dividir en tres amplias categorías:
Conductores
Aislantes
Semiconductores
Los materiales conductores ofrecen una baja resistencia al paso de la corriente eléctrica.
Los semiconductores se encuentran a medio camino entre los conductores y los aislantes,
pues en unos casos permiten la circulación de la corriente eléctrica y en otros no.
Finalmente los cuerpos aislantes ofrecen una alta resistencia al paso de la corriente
eléctrica.
Materiales conductores
En la categoría “conductores” se encuentran agrupados todos los metales que en mayor o
menor medida conducen o permiten el paso de la corriente eléctrica por sus cuerpos. Entre
los mejores conductores por orden de importancia para uso en la distribución de la energía
eléctrica de alta, media y baja tensión, así como para la fabricación de componentes de todo
tipo como dispositivos y equipos eléctricos y electrónicos, se encuentran el cobre (Cu),
aluminio (Al), plata (Ag), mercurio (Hg) y oro (Au).
Los conductores de cobre son los materiales más utilizados en los circuitos eléctricos por la
baja resistencia que presentan al paso de la corriente.
En general el núcleo de los átomos de cualquier elemento que forman todos los cuerpos
sólidos, líquidos y gaseosos que conocemos se encuentran rodeados por una nube de
electrones que giran su alrededor, distribuidos en una o en varias órbitas, capas o niveles de
energía. Al átomo de cada elemento contemplado en la “Tabla de Elementos Químicos” le
corresponde un número atómico que sirve para diferenciar las propiedades de cada uno de
ellos. Ese número coincide también con la cantidad total de electrones que giran alrededor
del núcleo de cada átomo en particular. No obstante, independientemente de la cantidad
total de electrones que le corresponda a cada elemento, en la última capa u órbita sólo
pueden girar de uno a ocho electrones como máximo.
Banda de valencia.
Como ya conocemos, todos átomos que integran cualquier cuerpo material poseen órbitas o
capas, denominadas también niveles de energía, donde giran electrones alrededor de sus
núcleos. La última de esas capas se denomina “banda de valencia” y es donde giran los
electrones que en unos casos el átomo puede ser ceder, como ocurre con los metales y en
otros casos puede atraer o captar de la banda de valencia de otros átomos cercanos. La
banda de valencia es el nivel de energía que determina que un cuerpo se comporte como
conductor, aislante o semiconductor.
En el caso de los metales en la última órbita o “banda de valencia” de sus átomos sólo giran
entre uno y tres electrones como máximo, por lo que su tendencia es cederlos cuando los
excitamos empleando métodos físicos o químicos. Las respectivas valencias de trabajo (o
números de valencia) de los metales son las siguientes: +1, +2 y +3.
Esos números con signo positivo (+) delante, corresponden a la cantidad de electrones que
pueden ceder los átomos de los metales, de acuerdo con la cantidad que contiene cada uno
en la última órbita.
En general la mayoría de los elementos metálicos poseen conductividad eléctrica, es decir,
se comportan como conductores de la electricidad en mayor o menor medida. Los que
poseen un solo electrón (a los que les corresponde el número de valencia +1, como el
cobre), son los que conducen la corriente eléctrica con mayor facilidad.
“En los conductores eléctricos las bandas de energía, formadas por la banda de conducción
y la banda de valencia del elemento metálico, se superponen facilitando que los electrones
puedan saltar desde la última órbita de un átomo a la de otro de los que integran también las
moléculas del propio metal.” (Raymond Chang Quimica General)
Es por eso que cuando se aplica corriente eléctrica a un circuito formado por conductores
de cobre, por ejemplo, los electrones fluyen con facilidad por todo el cuerpo metálico del
alambre que integra el cable.
Normalmente las bandas de energías se componen de: 1) una banda de valencia. 2) una
banda de conducción y, 3) otra banda interpuesta entre las dos anteriores denominada
“banda prohibida”. La función de esta última es impedir o dificultar que los electrones
salten desde la banda de valencia hasta la banda de conducción. En el caso de los metales la
banda prohíbida no existe, por lo que los electrones en ese caso necesitan poca energía para
saltar de una banda a la otra.
Debido a que en los metales conductores de corriente eléctrica la banda de valencia o
última órbita del átomo pose entre uno y tres electrones solamente (de acuerdo con el tipo
de metal de que se trate), existe una gran cantidad de estados energéticos “vacíos” que
permiten excitar los electrones, bien sea por medio de una reacción química, o una reacción
física como la aplicación de calor o la aplicación de una diferencia de potencial (corriente
eléctrica) que ponga en movimiento el flujo electrónico.
En general los metales mejores conductores de electricidad como el cobre, la plata y el oro
poseen una alta densidad de electrones portadores de carga en la banda de valencia, así
como una alta ocupación de niveles de energía en la banda de conducción. Hay que
destacar que aunque la plata y el oro son mucho mejores conductores de la corriente
eléctrica que el cobre, la mayoría de los cables se fabrican con este último metal o con
aluminio en menor proporción, por ser ambos metales buenos conductores de la corriente
eléctrica, pero mucho más baratos de producir y comercializar que la plata y el oro.
Materiales aislantes o dieléctricos.
A diferencia de los cuerpos metálicos buenos conductores de la corriente eléctrica, existen
otros como el aire, la porcelana, el cristal, la mica, la ebonita, las resinas sintéticas, los
plásticos, etc., que ofrecen una alta resistencia a su paso. Esos materiales se conocen como
aislantes o dieléctricos.
Los cuerpos aislantes ofrecen una alta resistencia al paso de la corriente eléctrica. Los
materiales aislantes de plástico utilizados comúnmente en las cajas de conexión y en otros
elementos propios de las instalaciones eléctricas domésticas de baja tensión, así como el
PVC (PolyVinyl Chloride – Policloruro de Vinilo) empleado como revestimiento en los
cables conductores.
Al contrario de lo que ocurre con los átomos de los metales, que ceden sus electrones con
facilidad y conducen bien la corriente eléctrica, los de los elementos aislantes poseen entre
cinco y siete electrones fuertemente ligados a su última órbita, lo que les impide cederlos.
Esa característica los convierte en malos conductores de la electricidad, o no la conducen
en absoluto.
En los materiales aislantes, la banda de conducción se encuentra prácticamente vacía de
portadores de cargas eléctricas o electrones, mientras que la banda de valencia está
completamente llena de estos.
Como ya conocemos, en medio de esas dos bandas se encuentra la “banda prohibida”, cuya
misión es impedir que los electrones de valencia, situados en la última órbita del átomo, se
exciten y salten a la banda de conducción.
La energía propia de los electrones de valencia equivale a unos 0,03 eV (electronvolt)
aproximadamente, cifra muy por debajo de los 6 a 10 eV de energía de salto de banda (Eg)
que requerirían poseer los electrones para atravesar el ancho de la banda prohibida en los
materiales aislantes.
Semiconductor
Es un material aislante que, cuando se le añaden ciertas sustancias o en un determinado
contexto, se vuelve conductor. Esto quiere decir que, de acuerdo a determinados factores, el
semiconductor actúa a modo de aislante o como conductor.
Los semiconductores pueden ser intrínsecos o extrínsecos. Los semiconductores intrínsecos
(que también se conocen como semiconductores extremadamente puros) son cristales que, a
través de enlaces covalentes entre los átomos, desarrollan una estructura de tipo tetraédrico
A temperatura de ambiente, estos cristales tienen electrones que absorben la energía que
necesitan para pasar a la banda de conducción, quedando un hueco de electrón en la banda
de valencia.
Los semiconductores extrínsecos, por su parte, son semiconductores intrínsecos a los que
les agregan impurezas para lograr su dopaje (así se conoce el resultado del proceso que se
lleva a cabo para modificar las propiedades eléctricas de un semiconductor).
Todos los elementos químicos se califican como conductores, aislantes o semiconductores.
Mientras que las conductores tienen baja resistencia a la circulación de la corriente eléctrica
y los aislantes, alta, los semiconductores se ubican entre ambos ya que permiten el paso de
la corriente sólo en ciertos casos. La temperatura, la presión, la radiación y los campos
magnéticos pueden hacer que un semiconductor actúe como conductor o como aislante
según el contexto.
Entre los semiconductores más empleados en el ámbito de la industria, se encuentran el
silicio, el azufre y el germanio.
Incremento de la conductividad en un elemento semiconductor
La mayor o menor conductividad eléctrica que pueden presentar los materiales
semiconductores depende en gran medida de su temperatura interna. En el caso de los
metales, a medida que la temperatura aumenta, la resistencia al paso de la corriente también
aumenta, disminuyendo la conductividad. Todo lo contrario ocurre con los elementos
semiconductores, pues mientras su temperatura aumenta, la conductividad también
aumenta.
En resumen, la conductividad de un elemento semiconductor se puede variar aplicando uno
de los siguientes métodos:
Elevación de su temperatura
Introducción de impurezas (dopaje) dentro de su estructura cristalina
Incrementando la iluminación.
Con relación a este último punto, algunos tipos de semiconductores, como las resistencias
dependientes de la luz (LDR – Light-dependant resistors), varían su conductividad de
acuerdo con la cantidad de luz que reciben.
Resistencia dependiente de la luz (LDR), conocida también como fotorresistor o célula
fotoeléctrica. Posee la característica de disminuir el valor de su resistencia interna cuando la
intensidad de luz que incide sobre la superficie de la celda aumenta. Como material o
elemento semiconductor utiliza el sulfuro de cadmio (CdS) y su principal aplicación es en
el encendido y apagado automático del alumbrado público en las calles de las ciudades,
cuando disminuye la luz solar.
En dependencia de cómo varíen los factores de los puntos más arriba expuestos, los
materiales semiconductores se comportarán como conductores o como aislantes.
¿Cómo funciona un panel solar?
Sin lugar a dudas, la era de la energía producida por el petróleo está llegando a su fin, y
debemos centrarnos en nuevas energías que sean renovables y menos contaminantes, como
la energía solar
¿De qué están hechos los paneles solares?
Los paneles solares están compuestos de silicio, que hoy en día se utiliza en otras cosas,
como por ejemplo en las computadoras. El silicio despojado de impurezas es un material
ideal para transmitir electrones. Cada átomo tiene espacio para ocho electrones, aunque en
estado natural solo llevan cuatro, por lo que tienen espacio para cuatro más. Cuando se
chocan, se crea un fuerte vínculo pero no están cargados ni positiva ni negativamente.
Por esta razón, los paneles solares están hechos de silicio mezclado con otros materiales
que generan cargas positivas o negativas, como por ejemplo el fósforo que tiene cinco
electrones y el boro que tiene tres. Esto es así porque se deben crear cargas positivas y
negativas para generar la electricidad.
Las placas negativas -con fósforo- y las positivas -con boro- se intercalan en el panel con
hilos conductores entre ellos.
A su vez, estos paneles están recubiertos de cristal no reflectante. También tienen un
inversor, que transforma la corriente continua generada en corriente alterna.
¿Cómo actúa el sol en los paneles solares?
El sol libera muchas partículas de energía diferentes, pero sólo los fotones son necesarios
para generar energía solar.
“El fotón actúa como un martillo en movimiento, únicamente cuando las placas negativas
se colocan de forma particular hacia el sol, por lo que los fotones bombardean esos átomos
de silicio y fósforo, rompiendo electrones y liberando algunos.” (Lucia Vazquez 2013)
La electricidad generada por una única célula solar no es mucha, pero unidas todas por los
hilos conductores permite generar más energía.
Funcionamiento de las celdas solares.
Para entender la operación de una célula fotovoltaica, necesitamos considerar la naturaleza
del material y la naturaleza de la luz del sol. Las celdas solares están formadas por dos tipos
de material, generalmente silicio tipo p y silicio tipo n. La luz de ciertas longitudes de onda
puede ionizar los átomos en el silicio y el campo interno producido por la unión que separa
algunas de las cargas positivas ("agujeros") de las cargas negativas (electrones) dentro del
dispositivo fotovoltaico.
Los agujeros se mueven hacia la capa positiva o capa de tipo p y los electrones
hacia la negativa o capa tipo n. Aunque estas cargas opuestas se atraen mutuamente, la
mayoría de ellas solamente se pueden re combinar pasando a través de un circuito externo
fuera del material debido a la barrera de energía potencial interno. Por lo tanto si se hace un
circuito se puede producir una corriente a partir de las celdas iluminadas, puesto que los
electrones libres tienen que pasar a través del circuito para recombinarse con los agujeros
positivos.
La cantidad de energía que entrega un dispositivo fotovoltaico está determinado por:
• El tipo y el área del material
• La intensidad de la luz del sol
• La longitud de onda de la luz del sol
Por ejemplo, las celdas solares de silicio mono cristalino actualmente no pueden convertir
más el de 25% de la energía solar en electricidad, porque la radiación en la región infrarroja
del espectro electromagnético no tiene suficiente energía como para separar las cargas
positivas y negativas en el material.
Las celdas solares de silicio poli cristalino en la actualidad tienen una eficiencia de menos
del 20% y las celdas amorfas de silicio tienen actualmente una eficiencia cerca del 10%,
debido a pérdidas de energía internas más altas que las del silicio mono cristalino.
Una típica célula fotovoltaica de silicio mono cristalino de 100 cm2 producirá cerca
de 1.5 vatios de energía a 0.5 voltios de Corriente Continua y 3 amperios bajo la luz del sol
en pleno verano (el 1000Wm-2). La energía de salida de la célula es casi directamente
proporcional a la intensidad de la luz del sol. (Por ejemplo, si la
Intensidad de la luz del sol se divide por la mitad la energía de salida también será
disminuida a la mitad).
Una característica importante de las celdas fotovoltaicas es que el voltaje de la célula no
depende de su tamaño, y sigue siendo bastante constante con el cambio de la intensidad de
luz. La corriente en un dispositivo, sin embargo, es casi directamente proporcional a la
intensidad de la luz y al tamaño. Para comparar diversas celdas se las clasifica por densidad
de corriente, o amperios por centímetro cuadrado del área de la célula.
La potencia entregada por una célula solar se puede aumentar con bastante eficacia
empleando un mecanismo de seguimiento para mantener el dispositivo fotovoltaico
directamente frente al sol, o concentrando la luz del sol usando lentes o espejos. Sin
embargo, hay límites a este proceso, debido a la complejidad de los mecanismos, y de la
necesidad de refrescar las celdas. La corriente es relativamente estable a altas temperaturas,
pero el voltaje se reduce, conduciendo a una caída de potencia a causa del aumento de la
temperatura de la célula.
Cristales de silicio
Al combinarse los átomos de Silicio para formar un sólido, lo hacen formando una
estructura ordenada llamada cristal. Esto se debe a los "Enlaces Covalentes", que son las
uniones entre átomos que se hacen compartiendo electrones adyacentes de tal forma que se
crea un equilibrio de fuerzas que mantiene unidos los átomos de Silicio.
Vamos a representar un cristal de silicio de la siguiente forma: (Figura 1 )
Cada átomo de silicio comparte sus 4 electrones de valencia con los átomos vecinos, de tal
manera que tiene 8 electrones en la órbita de valencia, como se ve en la figura.
La fuerza del enlace covalente es tan grande porque son 8 los electrones que quedan
(aunque sean compartidos) con cada átomo, gracias a esta característica los enlaces
covalentes son de una gran solidez.
Semiconductor de tipo “p”
Si en lugar de introducir átomos pentavalentes al cristal de silicio o de germanio lo
dopamos añadiéndoles átomos o impurezas trivalentes como de galio (Ga) (elemento
perteneciente al Grupo III A de la Tabla Periódica con tres electrones en su última órbita o
banda de valencia), al unirse esa impureza en enlace covalente con los átomos de silicio
quedará un hueco o agujero, debido a que faltará un electrón en cada uno de sus átomos
para completar los ocho en su última órbita. En este caso, el átomo de galio tendrá que
captar los electrones faltantes, que normalmente los aportarán los átomos de silicio, como
una forma de compensar las cargas eléctricas. De esa forma el material adquiere
propiedades conductoras y se convierte en un semiconductor extrínseco dopado tipo-P
(positivo), o aceptante, debido al exceso de cargas positivas que provoca la falta de
electrones en los huecos o agujeros que quedan en su estructura cristalina.
Estructura cristalina compuesta por átomos de silicio (Si) que forman, como en el caso
anterior, una celosía, dopada ahora con átomos de galio (Ga) para formar un semiconductor
“extrínseco”. Como se puede observar en la ilustración(Figura 2 ), los átomos de silicio
(con cuatro electrones en. la. última órbita o banda de valencia) se unen formando enlaces
covalente con los átomos de galio (con tres. electrones en su banda de valencia). 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.
Semiconductores de silicio tipo “n”
Como ya conocemos, ni los átomos de silicio, ni los de germanio en su forma cristalina
ceden ni aceptan electrones en su última órbita; por tanto, no permiten la circulación de la
corriente eléctrica, por tanto, se comportan como materiales aislantes.
Pero si la estructura cristalina de uno de esos elementos semiconductores la dopamos
añadiéndole una pequeña cantidad de impurezas provenientes de átomos de un metaloide
como, por ejemplo, antimonio (Sb) (elemento perteneciente los elementos semiconductores
del Grupo Va de la Tabla Periódica, con cinco electrones en su última órbita o banda de
valencia), estos átomos se integrarán a la estructura del silicio y compartirán cuatro de sus
cinco electrones con otros cuatro pertenecientes a los átomos de silicio o de germanio,
mientras que el quinto electrón restante del antimonio, al quedar liberado, se podrá mover
libremente dentro de toda la estructura cristalina. De esa forma se crea un semiconductor
extrínseco tipo-N, o negativo, debido al exceso de electrones libres existentes dentro de la
estructura cristalina del material semiconductor.
Estructura cristalina compuesta por átomos de silicio (Si) formando una celosía. Como se
puede observar (figura 3) esta estructura se ha dopado añadiendo átomos de antimonio (Sb)
para crear un material semiconductor “extrínseco”. Los átomos de silicio (con cuatro
electrones en la última órbita o banda de valencia) se unen formando enlaces covalentes
con los átomos de antimonio (con cinco en su última órbita banda de valencia). En esa
unión quedará un electrón libre dentro de la estructura cristalina del silicio por cada átomo
de antimonio que se haya añadido. De esa forma el cristal de silicio se convierte en material
semiconductor tipo-N (negativo) debido al exceso electrones libres con cargas negativas
presentes en esa estructura.
“ 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.” (José Antonio E. García Álvarez )
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.
Mecanismo de conducción de un semiconductor
Cuando a un elemento semiconductor le aplicamos una diferencia de potencial o corriente
eléctrica, se producen dos flujos contrapuestos: uno producido por el movimiento de
electrones libres que saltan a la “banda de conducción” y otro por el movimiento de los
huecos que quedan en la “banda de valencia” cuando los electrones saltan a la banda de
conducción.
Cuando aplicamos una diferencia de potencial a un elemento semiconductor, se establece
una. “corriente de electrones” en un sentido y otra “corriente de huecos” en sentido
opuesto.
Si analizamos el movimiento que se produce dentro de la estructura cristalina del elemento
semiconductor, notaremos que mientras los electrones se mueven en una dirección, los
huecos o agujeros se mueven en sentido inverso. Por tanto, el mecanismo de conducción de
un elemento semiconductor consiste en mover cargas negativas (electrones) en un sentido y
cargas positivas (huecos o agujeros) en sentido opuesto.
Ese mecanismo de movimiento se denomina "conducción propia del semiconductor", que
para las cargas negativas (o de electrones) será "conducción N", mientras que para las
cargas positivas (de huecos o agujeros), será "conducción P".
Figura 1 Cristal De Silicio
Figura 2 Estructura cristalina compuesta por
átomos de silicio (Si) , dopada ahora con átomos de galio (Ga) para formar un
semiconductor “extrínseco”.
Figura 3 Estructura cristalina compuesta por átomos de silicio (Si) formando una celosía
Bibliografía
http://www.asifunciona.com/fisica/ke_diodo/ke_diodo_3.htm
http://www.sc.ehu.es/sbweb/electronica/elec_basica/tema2/Paginas/Pagina3.htm