Apuntes: Energía Solar Fotovoltaica (ESF) Módulo 2: PRINCIPIO FÍSICO DE LOS DISPOSITIVOS FOTOVOLTAICOS

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1 Apuntes: Energía Solar Fotovoltaica (ESF) Módulo 2: PRICIPIO FÍSICO DE LOS DISPOSITIVOS FOTOVOLTAICOS Prof. Rafael Martín Lamaison 5 de Marzo de 2004

2 COTEIDO Introducción: conceptos básicos Átomos Electrones Tipos de materiales Semiconductores Modelo de bandas de energía Tipos de semiconductores Semiconductor intrínseco Aplicación de una fuente de energía Recombinación Semiconductor Extrínseco Tipo n Tipo p Ley de acción de masas Concentración de portadores La unión P Unión P en circuito abierto Principio de funcionamiento de la celda solar Principio físico de funcionamiento de la celda solar 1

3 Introducción: Conceptos básicos La física clásica considera que la materia está constituida por átomos. Cada átomo consiste en un núcleo que contiene un determinado número de protones y neutrones. Además, el átomo está compuesto por un determinado número de electrones que rodean el núcleo en órbitas específicas, tal como se muestra en la siguiente figura: Electrones (presentan una carga negativa muy pequeña) úcleo protones y neutrones Las órbitas de los electrones se encuentran agrupadas en lo que llamamos capas. Las capas se presentan en niveles de energía: K, L, M,, O, P, Q, tal como se ilustra en la siguiente figura: K L M O P Q La capa más interior es la de menor energía y contiene dos orbitales. La siguiente capa, de mayor energía, contiene 8 orbitales. Cada orbital puede tener como máximo un solo electrón. El número máximo de electrones por capa es: K 2 L 8 M O 32 P 18 Q 8 2

4 La última capa (también denominada capa de valencia), presenta cuando completa, un total de 8 electrones, que reciben la denominación de electrones de valencia. Los electrones de valencia son los únicos en condiciones de participar en fenómenos químicos o mismo eléctricos. Según la fuerza en que los electrones de valencia estén ligados al núcleo y, por tanto, según la facilidad con que se pueden desplazar de un átomo al contiguo, los materiales se pueden clasificar en 3 clases: conductores, semiconductores y aislantes. Conductores Los conductores como los metales (p.e. cobre y aluminio), están formados por átomos en los que los electrones no están muy ligados al núcleo y fácilmente se desplazan al otro con tal que exista una pequeña diferencia de potencial, por tanto, apenas necesitan energía para conducir. Semiconductores A muy bajas temperaturas, los semiconductores tienen la propiedad de un aislante; sin embargo, a temperaturas más altas algunos electrones tienen libertad de movimiento y los materiales adoptan las propiedades de un conductor, si bien de un conductor pobre. o obstante, los semiconductores tienen algunas características útiles que lo hacen distintos tanto de los aislantes como de los conductores. Aislantes En los materiales aislantes, como el polietileno y el vidrio, los electrones de valencia están ligados con firmeza a los núcleos de los átomos y muy pocos pueden liberarse para conducir electricidad. La aplicación de un campo eléctrico no causa un flujo de corriente pues no hay portadores móviles de carga. Por tanto, la energía necesaria para conducir es muy elevada. Semiconductores: Intrínsecos y Extrínsecos Modelo de bandas de energía Se trata de un modelo para explicar como funcionan los materiales. Los electrones dentro de un material se pueden desplazar únicamente a niveles de energía permitidos. En la figura siguiente se muestra dicho modelo de bandas de energía. Ec Ev ivel prohibido Banda de conducción Banda prohibida Banda de Valencia 3

5 El ancho de la banda prohibida o gap de energía (Eg) es la diferencia entre la energía de conducción (Ec) y la energía de valencia (Ev), como se indica en la siguiente ecuación: Eg = Ec Ev La energía Eg se puede definir como la energía necesaria para que un electrón pase de una banda a otra. Ésta energía depende del material y se suele expresar en electrón voltios (1 ev = 1, J). Por ejemplo, los semiconductores para conducir, necesitan una energía entre 0,8 ev y 3 ev, mientras que los aislantes para conducir necesitan una energía mayor que 5 ev. La siguiente figura muestra el modelo de bandas de energía para los 3 tipos de materiales mostrando la región donde se aplica a cada uno de ellos Ec Banda de Conducción Eg 1 ev Eg Banda de Valencia Ev Conductores Semiconductores Aislantes Ec >> Ev Como se puede observar en la figura, en los conductores (metales), las bandas de conducción y de valencia están solapadas, lo que demuestra que prácticamente no necesitan energía para conducir. Tipos de semiconductores Los semiconductores se pueden presentar de dos maneras: Elementos simples: Elementos de la columna 4 de la tabla periódica de los elementos, como pueden ser el Silicio (Si) y el Germanio (Ge). Compuestos químicos complejos: Arseniuro de Galio (GaAs), Fósforo de Indio, Teluro de Cadmio, Sulfuro de Cadmio. 4

6 Semiconductor Intrínseco Es un cristal puro que no está dopado (no contiene impurezas). En un cristal intrínseco (puro), cada átomo se posiciona formando una especie de retícula, con cuatro átomos cercanos. Cada par de átomos cercanos forma lo que se denomina enlaces covalente. Éstos enlaces están formados por los 4 electrones de la capa de valencia. La figura que sigue muestra un cristal de silicio intrínseco. Si Si Si Si Si Si Si Si Si A la temperatura de 0º K, los electrones están en los menores estados de energía disponibles, con lo cual los enlaces no se rompen. En estas condiciones el material se comporta como un aislante eléctrico. Material semiconductor intrínseco sometido a una fuente de energía Si al semiconductor intrínseco se le aplica una fuente de energía como luz, calor, campo eléctrico, campo magnético, etc., algunos enlaces covalentes se rompen por ionización térmica, con lo cual se generan electrones libres (generación de electrones libres) y huecos en igual número. El hueco es la ausencia de electrón y puede entenderse como un portador de carga positiva que se mueve libremente por el cristal (el valor de la carga de un hueco es igual que la del electrón pero con signo positivo). Para la generación de electrones libres, el silicio necesita una energía de 1,1 ev y el germanio 0,8 ev. Cuando el cristal puro se somete a una fuente de energía, se puede romper un enlace, creando un hueco y un electrón libre que pueden moverse con libertad por todo el cristal. Incluso a temperatura ambiente (aproximadamente 300 ºK), algunos electrones alcanzan la suficiente energía térmica como para liberarse de sus enlaces. La siguiente figura muestra un cristal de silicio donde se libera un electrón y se crea un hueco. Si Si Si Electrón libre Si Si Si Si Si Si Hueco (agujero) 5

7 En los semiconductores la conducción de electricidad es debida tanto los electrones como a los huecos que se mueven en sentido contrario. La figura siguiente muestra como cuando los electrones se desplazan a la derecha para llenar un hueco el hueco se desplaza en sentido contrario, es decir, a la izquierda. Sentido de movimiento de los electrones Sentido de movimiento de los huecos En un semiconductor intrínseco, existe un número igual de huecos y electrones libres que pueden moverse con facilidad por el cristal. Así, podemos decir que en un material puro: n = p = n i Donde n es la concentración de electrones libre p se refiere a la concentración de huecos (agujeros) y n i es la concentración intrínseca de electrones o huecos que es constante para cada material a una determinada temperatura: Ej. n i = 1, cm 3 a 300º K para el Silicio. Semiconductor Extrínseco Semiconductor tipo n y semiconductor tipo p. Se trata de un semiconductor al cual se le añaden impurezas para aumentar el número de portadores libres. También se suele hablar de semiconductores dopados. Los semiconductores con impurezas son materiales en los que predominan portadores de una clase (huecos ó electrones). Tipos de impurezas utilizadas: Semiconductor tipo n Para formar un semiconductor tipo n se añaden impurezas donadoras, D, con lo cual, se aumenta el número de electrones: los electrones son los portadores mayoritarios y los huecos son los portadores minoritarios. Las impurezas donadoras son átomos pertenecientes a la columna 5 de la tabla periódica de los elementos (átomos pentavalentes), como pueden ser el arsenio, antimonio y fósforo. Semiconductor tipo p Para formar un semiconductor tipo p se añaden impurezas aceptadoras, A, con lo cual, se aumenta el número de huecos: los huecos son los portadores mayoritarios y los electrones son los portadores minoritarios. Las impurezas 6

8 aceptadoras son átomos pertenecientes a la columna 3 de la tabla periódica de los elementos (átomos trivalentes), como pueden ser el boro, indio o galio. Ley de acción de masas Al añadir impurezas donadoras a un semiconductor provoca una disminución de agujeros. Por otro lado, al añadir impurezas aceptadoras a un semiconductor provoca una disminución de electrones por debajo del nivel del intrínseco. Se puede demostrar que en un semiconductor extrínseco o dopado, el producto de la concentración de agujeros y electrones es una constante independiente de la cantidad de impurezas aceptadoras o donadoras que se añaden: 2 n. p = ni Como ya se ha mencionado, ni es la concentración de electrones o huecos en el semiconductor intrínseco. Concentración de portadores Tipo n n D 2. p n i n = p = n 2 i D Tipo p p A 2. p n i n = p = n 2 i A La unión P: conceptos básicos La unión P consta de un único cristal de material semiconductor, que está dopado para producir material de tipo n en un lado y de tipo p en el otro. Se pueden añadir impurezas al cristal a medida que va creciendo, o añadirlas más tarde, ya sea por difusión de átomos de impurezas en el cristal, ya sea por implantación de iones. En la retícula cristalina, es importante que en la unión de la parte con la parte P no haya ninguna interrupción. Esto solo será posible si la unión se constituye como un solo cristal. Sin embargo, resulta instructivo imaginar la formación de una unión P juntando un cristal de tipo p y un cristal de tipo n. Antes de unir las dos mitades de la unión, el lado tiene una alta concentración de electrones libres y una baja concentración de huecos. En la mitad de tipo p tenemos la condición inversa. Debido al alto gradiente de concentración de portadores de un mismo tipo a cada lado de la unión (en un lado son mayoritarios y en el otro minoritarios), tienden a pasar por difusión desde el lado donde son mayoría al lado donde son minoría. Al ocurrir esto, dejan en las proximidades de la unión una zona de cargas fijas (negativas en la zona P y positivas en la ) produciéndose a ambos lados de la unión un dipolo eléctrico que crea un campo eléctrico dirigido de la zona a la zonas P que 7

9 tiende a compensar esta difusión de portadores, llegándose así a una situación de equilibrio. Así cuando tenemos un semiconductor tipo p en contacto con un semiconductor tipo n, como se muestra en la siguiente figura: P podemos resumir lo que se ha expuesto anteriormente con los pasos que se describen a seguir: 1. Se produce una difusión de huecos de la región P a la región y una difusión de electrones de la región a la región P. 2. Al haber difusión algunos huecos que pasan de la región P a la región y algunos electrones que pasan de la zona a la zona P, se recombinan hasta alcanzar el equilibrio. 3. Tal como se muestra en la siguiente figura, después del proceso de difusión y recombinación, se produce en la unión una zona de deplexión (también llamada zona de carga espacial ó zona de vaciamiento) formada por las cargas estáticas (iones) de la estructura cristalina. Zona de vaciamiento o zona de deplexión Vaciada de portadores libres E Pierden huecos Pierden electrones Iones o cargas estáticas o se pueden mover 4. En esa zona de deplexión que se ha formado se crea un campo eléctrico E (de la región a la región P o de los iones a los iones ) con lo cual se produce una caída de potencial sobre dicha región (de signo contrario) denominado potencial de contacto o potencial de unión (Vo). Su magnitud es del orden de 0,3 a 0,7 voltios, dependiendo del tipo de semiconductor, germanio o silicio, respectivamente. En la siguiente figura se puede ver la distribución de potencial a lo largo del eje perpendicular de la unión. 8

10 Potencial Vo x 5. El campo eléctrico impide que más portadores atraviesen la unión. 6. Existen dos tipos de corriente: Corriente de difusión (I D ) debida a los portadores mayoritarios. Electrones de la región a la región P y huecos de la región P a la región. Cuanto mayor es el potencial de unión, menor es la corriente de difusión I D. Corriente de arrastre, deriva o saturación inversa (I S ) debida a los portadores minoritarios. Algunos huecos (generados térmicamente) en la región se mueven por difusión hacia la unión. Allí experimentan el campo eléctrico que los arrastra hacia la región P. Por otro lado, algunos electrones (generados térmicamente) en la región P se mueven por difusión hacia la unión. Allí experimentan el campo eléctrico ( E ) que los arrastra hacia la región. Ambos procesos (los huecos de la región a la región P y los electrones de la región P a la región ) forman la corriente de saturación inversa I S, la cual depende básicamente de la temperatura y del potencial de la unión. En condiciones de circuito abierto, no existe corriente externa y por tanto I D = I S (equilibrio). En circuito abierto, la tensión es nula, con lo cual la tensión o potencial de unión se compensa con la tensión de las uniones METALSEMICODUCTOR (ver figura siguiente). Por tanto, ocurre, como es de esperar, el principio de conservación de energía. metal contactos ohmicos P 9

11 Principio de funcionamiento de la celda solar Las células solares están constituidas por materiales semiconductores, principalmente silicio, y son elementos que transforman directamente parte de la energía solar que reciben en energía eléctrica. Los electrones de valencia del material semiconductor de la célula, que están ligados débilmente al núcleo de sus átomos, son arrancados por la energía de los fotones de la radiación solar que inciden sobre ella. Este fenómeno se denomina efecto fotovoltaico. Principio físico de funcionamiento de la célula solar Como ya se ha comentado anteriormente. la rotura de enlaces y, por tanto, la aparición de un par electrónhueco puede producirse por la absorción de un fotón de energía suficiente (efecto fotovoltaico) o por agitación térmica. El proceso contrario, es decir, la recombinación o desaparición de un par electrónhueco puede producirse al encontrarse un electrón libre y un hueco (esto es difícil, ya que se necesita condiciones muy específicas) o por la existencia de un defecto de la estructura del material semiconductor. Tanto la energía necesaria para que ocurra el proceso de generación como la cedida en el de recombinación, tienen un valor determinado, Eg, denominado ancho de banda prohibida. Así, estos dos fenómenos pueden escribirse con la ecuación reversible siguiente: e h Eg Los electrones libres y los huecos creados por la ruptura del par electrónhueco tienden a difundirse desde las zonas iluminadas, donde se crean, a las zonas oscuras. Para evitar la recombinación es necesario crear en el interior del semiconductor un campo eléctrico, mediante una unión P, que separe físicamente éstos dos tipos de portadores o cargas libres móviles, apareciendo así una intensidad de corriente neta que atraviesa la célula solar en sentido de ese campo. De los 2 posibles motivos de recombinación (antes mencionados), el más importante es la existencia de defectos en el cristal que se denominan trampas. Supóngase un semiconductor tipo n, en el que los huecos son minoritarios, y supóngase un defecto en el cristal en estado neutro: como los electrones son muy numerosos, la trampa rápidamente captura uno, quedando ionizada negativamente (que es, por ello, el estado de equilibrio de la trampa en un semiconductor de este tipo) a la espera de poder capturar un hueco, que es más difícil por ser éstos últimos minoritarios. Cuando lo consigue, de nuevo su estado es neutro y se ha producido una recombinación. Rápidamente captura un electrón y queda cargada negativamente otra vez, a la espera de otro hueco para completar otra recombinación. Para garantizar que el número de recombinaciones sea el menor posible, es decir, para que se pueda aprovechar la mayoría de las cargas libres producidas por la ruptura de los pares electrónhueco gracias a los fotones de la radiación solar incidente, el número de trampas o defectos del cristal ha de ser la menor posible. Esto se consigue utilizando cristales de silicio puro o silicio monocristalino. 10

12 Con éstos conceptos ya se puede comprender el principio físico del funcionamiento de una célula solar. Cuando la radiación solar incide sobre la célula, los fotones con energía suficiente rompen el par electrónhueco dejando éstos portadores libres (efecto fotovoltaico). El campo eléctrico de la unión P separa éstos portadores para evitar que se recombinen, llevando los electrones a la zona y los huecos a la zona P, apareciendo de ese modo una intensidad de corriente neta que atraviesa la célula solar en el sentido de ese campo, de la zona a la zona P. El proceso del principio físico de la celda solar se puede resumir en los siguientes pasos: Los fotones incidentes son absorbidos y se generan pares electrónhueco, tanto en la región P de la unión como en la región. Supondremos que se genera una pareja por fotón. Los electrones y huecos generados a una distancia inferior a Lp o Ln (longitud de difusión del hueco y electrón) de la zona de vaciamiento, llegan a ella por difusión. En la zona de vaciamiento también se generan pares electrónhueco debido a la radiación que incide. En la zona de vaciamiento, cada miembro de la pareja es separado por el campo eléctrico presente: los huecos se dirigen a la región P y los electrones a la región. Éste proceso se puede observar en la siguiente figura: Zona de viciamiento Azul Rojo Infrarrojo E P Separación de portadores por el campo de la unión P Si la celda está en circuito abierto, la acumulación de cargas de signos diferentes en los 2 costados de la unión genera una tensión de circuito abierto V oc, tal como se muestra en la figura siguiente: V oc P 11

13 Si la celda está cortocircuitada se genera una corriente de corto circuito I sc. Observar que el sentido de la corriente es el mismo que el de la corriente inversa de saturación de la unión P (diodo). La figura siguiente ilustra ésta situación: P I sc Por tanto, si mediante una carga exterior (R) se cierra el circuito, la corriente fotovoltaica generada (I) sale de la célula hacia el circuito exterior por la región P, atraviesa la carga y entra de nuevo a la célula por la región. Esto que se acaba de mencionar se puede observar en la figura siguiente: P I R Intensidad de corriente exterior de la celda Podemos concluir que la diferencia entre una celda solar y un diodo está en la circulación de la corriente. En un diodo, debido a que funciona con una fuente de tensión que se le aplica en el circuito que esté conectado, cuando está polarizado directamente (se le aplica un potencial más positivo a la región P y un potencial más negativo a la zona ), entonces la corriente que participa en el proceso es la corriente de difusión, con lo cual internamente la corriente circula de la región P a la región. Por otro lado, en la celda solar, debido a la radiación térmica, actúa como un generador, siendo la corriente de saturación inversa (Is) la corriente que interviene en el proceso y, por tanto, circula de la región a la región P. 12