El efecto de la longitud de onda en las células fotovoltaicas

Contenido

• El efecto de la longitud de onda de la energía solar en la energía de los electrones
• Función de trabajo y banda prohibida
• Longitudes de onda mínimas y máximas
• Longitud de onda de energía solar y eficiencia celular

Las células solares dependen de un fenómeno conocido como efecto fotovoltaico, descubierto por el físico francés Alexandre Edmond Becquerel (1820-1891). Está relacionado con el efecto fotoeléctrico, un fenómeno por el cual los electrones son expulsados ​​de un material conductor cuando la luz brilla sobre él. Albert Einstein (1879-1955) ganó el Premio Nobel de física de 1921 por su explicación de ese fenómeno, utilizando principios cuánticos que eran nuevos en ese momento. A diferencia del efecto fotoeléctrico, el efecto fotovoltaico tiene lugar en el límite de dos placas semiconductoras, no en una sola placa conductora. No se expulsan electrones cuando la luz brilla. En cambio, se acumulan a lo largo del límite para crear un voltaje. Cuando conecta las dos placas con un cable conductor, fluirá una corriente en el cable.

El gran logro de Einsteins, y la razón por la que ganó el Premio Nobel, fue reconocer que la energía de los electrones expulsados ​​de una placa fotoeléctrica dependía, no de la intensidad de la luz (amplitud), como predijo la teoría de ondas, sino de la frecuencia, que es El inverso de la longitud de onda. Cuanto más corta es la longitud de onda de la luz incidente, mayor es la frecuencia de la luz y más energía posee los electrones expulsados. Del mismo modo, las células fotovoltaicas son sensibles a la longitud de onda y responden mejor a la luz solar en algunas partes del espectro que en otras. Para entender por qué, es útil revisar la explicación de Einsteins del efecto fotoeléctrico.

El efecto de la longitud de onda de la energía solar en la energía de los electrones

La explicación de Einsteins del efecto fotoeléctrico ayudó a establecer el modelo cuántico de la luz. Cada haz de luz, llamado fotón, tiene una energía característica determinada por su frecuencia de vibración. La energía (E) de un fotón viene dada por la ley de Plancks: E = hf, donde f es la frecuencia yh es la constante de Plancks (6.626 × 10⁻³⁴ julio ∙ segundo). A pesar del hecho de que un fotón tiene una naturaleza de partículas, también tiene características de onda, y para cualquier onda, su frecuencia es el recíproco de su longitud de onda (que aquí se denota por w). Si la velocidad de la luz es c, entonces f = c / w, y se puede escribir la ley de Plancks:

E = hc / w

Cuando los fotones inciden en un material conductor, colisionan con los electrones en los átomos individuales. Si los fotones tienen suficiente energía, eliminan los electrones en las capas más externas. Estos electrones son libres de circular a través del material. Dependiendo de la energía de los fotones incidentes, pueden ser expulsados ​​del material por completo.

Según la ley de Plancks, la energía de los fotones incidentes es inversamente proporcional a su longitud de onda. La radiación de longitud de onda corta ocupa el extremo violeta del espectro e incluye radiación ultravioleta y rayos gamma. Por otro lado, la radiación de longitud de onda larga ocupa el extremo rojo e incluye radiación infrarroja, microondas y ondas de radio.

La luz solar contiene un espectro completo de radiación, pero solo la luz con una longitud de onda lo suficientemente corta producirá los efectos fotoeléctricos o fotovoltaicos. Esto significa que una parte del espectro solar es útil para generar electricidad. No importa cuán brillante o tenue sea la luz. Solo tiene que tener, como mínimo, la longitud de onda de la célula solar. La radiación ultravioleta de alta energía puede penetrar en las nubes, lo que significa que las células solares deberían funcionar en días nublados, y lo hacen.

Función de trabajo y banda prohibida

Un fotón debe tener un valor mínimo de energía para excitar electrones lo suficiente como para expulsarlos de sus orbitales y permitir que se muevan libremente. En un material conductor, esta energía mínima se llama función de trabajo, y es diferente para cada material conductor. La energía cinética de un electrón liberado por colisión con un fotón es igual a la energía del fotón menos la función de trabajo.

En una célula fotovoltaica, dos materiales semiconductores diferentes se fusionan para crear lo que los físicos llaman una unión PN. En la práctica, es común usar un solo material, como el silicio, y doparlo con diferentes productos químicos para crear esta unión. Por ejemplo, el dopaje de silicio con antimonio crea un semiconductor de tipo N, y el dopaje con boro hace un semiconductor de tipo P. Los electrones que salen de sus órbitas se acumulan cerca de la unión PN y aumentan el voltaje a través de ella. El umbral de energía para expulsar un electrón de su órbita hacia la banda de conducción se conoce como el intervalo de banda. Es similar a la función de trabajo.

Longitudes de onda mínimas y máximas

Para que se desarrolle un voltaje a través de la unión PN de una célula solar. La radiación incidente debe exceder la energía de banda prohibida. Esto es diferente para diferentes materiales. Es 1.11 electronvoltios para silicio, que es el material utilizado con mayor frecuencia para las células solares. Un electrón volt = 1.6 × 10^-19 julios, entonces la energía de la banda prohibida es 1.78 × 10^-19 julios Reorganizar la ecuación de los tablones y resolver la longitud de onda le indica la longitud de onda de la luz que corresponde a esta energía:

w = hc / E = 1,110 nanómetros (1.11 × 10^-6 metros)

Las longitudes de onda de la luz visible se producen entre 400 y 700 nm, por lo que la longitud de onda del ancho de banda para las células solares de silicio está en el rango infrarrojo muy cercano. Cualquier radiación con una longitud de onda más larga, como microondas y ondas de radio, carece de la energía para producir electricidad a partir de una célula solar.

Cualquier fotón con una energía superior a 1.11 eV puede desalojar un electrón de un átomo de silicio y colocarlo en la banda de conducción. Sin embargo, en la práctica, los fotones de longitud de onda muy corta (con una energía de más de aproximadamente 3 eV) se liberan de la banda de conducción y no están disponibles para hacer el trabajo. El umbral de longitud de onda superior para obtener un trabajo útil del efecto fotoeléctrico en los paneles solares depende de la estructura de la célula solar, los materiales utilizados en su construcción y las características del circuito.

Longitud de onda de energía solar y eficiencia celular

En resumen, las células fotovoltaicas son sensibles a la luz de todo el espectro siempre que la longitud de onda esté por encima del intervalo de banda del material utilizado para la célula, pero se desperdicia luz de longitud de onda extremadamente corta. Este es uno de los factores que afecta la eficiencia de la célula solar. Otro es el grosor del material semiconductor. Si los fotones tienen que recorrer un largo camino a través del material, pierden energía a través de colisiones con otras partículas y pueden no tener suficiente energía para desalojar un electrón.

Un tercer factor que afecta la eficiencia es la reflectividad de la célula solar. Una cierta fracción de luz incidente rebota en la superficie de la célula sin encontrar un electrón. Para reducir las pérdidas por reflectividad y aumentar la eficiencia, los fabricantes de celdas solares generalmente cubren las celdas con un material no reflectante que absorbe la luz. Es por eso que las células solares son generalmente negras.