La generación de energía solar fotovoltaica aprovecha el efecto fotovoltaico de las células solares para convertir directamente la radiación solar en energía eléctrica. Su componente principal es la célula solar (también conocida como célula fotovoltaica), un dispositivo semiconductor de silicio de gran superficie.
Estructura cristalina del semiconductor de silicio
La estructura cristalina del semiconductor de silicio puro está compuesta por átomos de silicio dispuestos, cada uno rodeado por cuatro electrones unidos covalentemente (como se muestra en la figura).
Cuando se dopan otros elementos (como el boro o el fósforo) en los cristales de silicio, sus propiedades eléctricas cambian:
Incorporación de boro (B): Los átomos de boro tienen solo 3 electrones de valencia, por lo que se forman huecos (portadores de carga positiva) en la estructura cristalina, generando así un semiconductor de tipo P.
Incorporación de fósforo (P): Los átomos de fósforo tienen 5 electrones de valencia, y los electrones sobrantes se convierten en electrones libres (portadores de carga negativa), formando un semiconductor de tipo N.
Al combinar semiconductores de tipo P y tipo N, se forma una unión PN, que constituye la estructura central de una célula fotovoltaica. Cuando la luz solar incide sobre la unión PN, excita los electrones, lo que provoca su movimiento direccional bajo la acción del campo eléctrico, generando así una corriente eléctrica y logrando la conversión fotoeléctrica.
Dado que hay más huecos en los semiconductores de tipo P y más electrones en los semiconductores de tipo N, cuando estos dos materiales semiconductores se combinan, se forma un
Se formará una capa delgada especial en su zona de interfaz.
En esta capa delgada:
El lado tipo P tiene carga negativa porque algunos huecos se llenan con electrones difundidos desde el lado tipo N.
El lado tipo N tiene carga positiva porque, tras la difusión de algunos electrones hacia el lado tipo P, quedan iones positivos fijos en el lado tipo N.
Esta distribución de carga forma una unión PN, que es la estructura central de una célula fotovoltaica. Dentro de la unión PN se genera un campo eléctrico interno que impide una mayor difusión de electrones y huecos y, al mismo tiempo, al activarse el circuito externo, guía el flujo direccional de electrones, generando así fotocorriente.
Debido a las diferentes concentraciones de electrones y huecos a ambos lados de la unión PN, los electrones se difunden de la región N a la región P, mientras que los huecos se difunden en dirección opuesta. Este movimiento de portadores forma un campo eléctrico interno dentro del semiconductor y genera una diferencia de potencial intrínseca en la unión PN, lo que promueve una mayor difusión de electrones y huecos.
Región de carga espacial y estado de equilibrio
El campo eléctrico interno en la unión PN conduce a:
La formación de la **región de carga espacial (región de agotamiento)**: esta región contiene capas fijas de carga positiva y negativa que impiden la difusión desordenada de electrones y huecos.
La difusión de electrones y huecos alcanza gradualmente un equilibrio dinámico, lo que hace que la unión PN presente características similares a las de los diodos de silicio en ausencia de luz.
Efecto fotovoltaico en condiciones de luz
Cuando los fotones irradian una célula fotovoltaica, se excitan las transiciones electrónicas, rompiendo así el equilibrio original, generando portadores fotogenerados, generando corriente en el circuito externo y convirtiendo la energía luminosa en energía eléctrica.
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Cuando la luz solar incide en una célula fotovoltaica, los fotones tienen los siguientes tres efectos:
Parte de la luz se refleja y no puede participar en la conversión fotoeléctrica.
Parte de la luz se absorbe y se utiliza para estimular las transiciones electrónicas.
Parte de la luz atraviesa la célula y no se aprovecha eficazmente.
Formación y separación de pares electrón-hueco fotogenerados.
La energía lumínica absorbida provoca que los electrones ligados en los átomos de silicio pasen a un estado de alta energía, formando pares electrón-hueco. Bajo la acción del campo eléctrico interno de la unión PN:
Los huecos en la región N se mueven a la región P.
Los electrones en la región P se mueven a la región N.
Acumulación de carga y formación de corriente.
Este movimiento direccional provoca la acumulación de una gran cantidad de carga negativa (electrones) en el lado iluminado de la célula fotovoltaica, mientras que una gran cantidad de carga positiva (huecos) se acumula en el lado retroiluminado. Si se conecta una carga a los polos positivo y negativo de la celda, los electrones fluirán en el circuito externo para formar una corriente fotogenerada. Bajo iluminación continua, las celdas fotovoltaicas pueden generar energía eléctrica de forma continua.
Voltaje y ensamblaje de celdas solares
Una celda solar es un semiconductor delgado de unión PN con un voltaje de salida nominal de aproximadamente 0,5 a 0,55 V en condiciones de iluminación estándar.
Para obtener mayor voltaje y potencia, se suelen conectar múltiples baterías en serie o en paralelo para formar módulos fotovoltaicos (módulos de batería), que a su vez forman conjuntos fotovoltaicos para aplicaciones prácticas.
Volatilidad de la potencia de las celdas solares
La potencia de salida de las celdas fotovoltaicas es aleatoria y se ve afectada por los siguientes factores:
Hora (día, noche, cambios estacionales).
Ubicación geográfica (latitud, altitud, clima).
Intensidad de la luz (soleado, nublado, cubierto).
Método de instalación (inclinación, orientación, sombreado).
Por lo tanto, en aplicaciones prácticas, es necesario cooperar con la tecnología MPPT (seguimiento del punto de máxima potencia), el sistema de almacenamiento de energía o el inversor conectado a la red para optimizar el rendimiento general y la estabilidad del sistema fotovoltaico.
