Celdas Fotovoltaicas | Eficiencia Cuántica y Conversión de Energía: Aprende cómo la eficiencia cuántica mejora la conversión de luz solar en electricidad limpia.
Celdas Fotovoltaicas | Eficiencia Cuántica y Conversión de Energía
Las celdas fotovoltaicas, también conocidas como células solares, son dispositivos que convierten la luz solar directamente en electricidad mediante el efecto fotovoltaico. Este fenómeno físico es una base fundamental en la fotovoltaica, una rama de la física y la ingeniería que estudia y desarrolla tecnologías para el aprovechamiento de la energía solar.
Fundamentos de las Celdas Fotovoltaicas
El principio básico detrás de las celdas fotovoltaicas es el efecto fotoeléctrico, un efecto fotoeléctrico descubierto por Albert Einstein en 1905. El efecto fotovoltaico ocurre cuando los fotones de la luz solar golpean un material semiconductor, generalmente silicio, y liberan electrones, generando así una corriente eléctrica.
Eficiencia Cuántica y Energía Convencional
La eficiencia cuántica (EQ) de una celda fotovoltaica se refiere a la capacidad del dispositivo para convertir los fotones incidentes en electrones libres que contribuyen a la corriente. Matemáticamente, se expresa como:
EQ = \(\frac{{n_{electrones}}}{{n_{fotones}}}\) * 100%
donde n_{electrones} es el número de electrones generados y n_{fotones} es el número de fotones incidentes.
Una EQ del 100% significaría que cada fotón que golpea la celda produce un electrón libre, lo cual es un ideal teórico. En la práctica, la eficiencia cuántica es menor debido a diversos factores como la reflexión de la luz, la recombinación de electrones y huecos, y las pérdidas ópticas. Mejorar la EQ es un foco principal de la investigación en el campo de las celdas fotovoltaicas.
Conversión de Energía
La conversión de energía en celdas fotovoltaicas implica varios pasos y mecanismos. De manera simplificada, el proceso comprende los siguientes pasos:
A continuación se explica cada paso con mayor detalle:
Absorción de Fotones
Cuando la luz solar incide sobre la celda fotovoltaica, los fotones son absorbidos por el material semiconductor. Cada fotón tiene una energía dada por:
E_{fotón} = h * \nu
donde h es la constante de Planck y \nu es la frecuencia del fotón. Para que un fotón sea absorbido eficazmente, su energía debe ser igual o superior a la banda prohibida (gap) del material semiconductor.
Generación de Pares Electrón-Hueco
La energía del fotón absorbido excita a los electrones en el material semiconductor, promoviéndolos desde la banda de valencia a la banda de conducción, lo que resulta en la creación de un par electrón-hueco. Este paso es crucial para la generación de corriente.
Separación de Cargas
En la mayoría de las celdas fotovoltaicas, una unión p-n es diseñada para separar los pares electrón-hueco. La unión p-n crea un campo eléctrico interno que impulsa a los electrones hacia la capa tipo n y a los huecos hacia la capa tipo p, reduciendo la posibilidad de recombinación y permitiendo la generación de corriente eléctrica.
Extracción de Corriente
Una vez que las cargas están separadas, se recolectan a través de contactos eléctricos en la celda fotovoltaica. Los electrones fluyen a través de un circuito externo, entregando energía útil antes de regresar al dispositivo por el contacto del otro lado.
Teorías y Modelos Utilizados
Varios modelos teóricos y prácticos se emplean para entender y mejorar la eficiencia de las celdas fotovoltaicas. Algunos de estos incluyen:
La ecuación de Shockley para el diodo se expresa como:
I = I_{0} (exp(\(\frac{{qV}}{{kT}}) – 1\))
donde: