Convertidores de energía fotovoltaica semiconductores (fotocélulas)

Las fotocélulas son dispositivos electrónicos diseñados para convertir la energía de los fotones en la energía de una corriente eléctrica.

Históricamente, se inventó el primer prototipo de la fotocélula moderna. Aleksandr G. Stoletov a finales del siglo XIX. Él crea un dispositivo que funciona según el principio del efecto fotoeléctrico externo. La primera instalación experimental consistió en un par de láminas metálicas planas paralelas, una de las cuales estaba hecha de malla para permitir el paso de la luz y la otra era maciza.

Se aplicó un voltaje constante a las láminas, que podía ajustarse en el rango de 0 a 250 voltios. El polo positivo de la fuente de voltaje se conectó al electrodo de rejilla y el polo negativo al sólido. También se incluyó en el esquema un galvanómetro sensible.

Cuando una hoja sólida se iluminó con la luz de un arco eléctrico, aguja de galvanómetro desviada, lo que indica que se está generando una corriente continua en el circuito a pesar de que hay aire entre los discos.En el experimento, el científico encontró que la magnitud de la "fotocorriente" depende tanto del voltaje aplicado como de la intensidad de la luz.

Para complicar la instalación, Stoletov coloca los electrodos dentro de un cilindro del que se evacua el aire y se alimenta luz ultravioleta al electrodo sensible a través de una ventana de cuarzo. Entonces estaba abierto efecto foto.

Hoy, basado en este efecto, funciona convertidores fotovoltaicos… Reaccionan a la radiación electromagnética que cae sobre la superficie del elemento y la convierten en un voltaje de salida. Un ejemplo de tal convertidor es célula solar… El mismo principio es utilizado por sensores fotosensibles.

Una fotocélula típica consta de una capa de material fotosensible de alta resistencia intercalada entre dos electrodos conductores. Como material fotovoltaico para celdas solares, se usa comúnmente semiconductor, que, cuando está completamente iluminado, es capaz de dar 0,5 voltios en la salida.

Dichos elementos son más eficientes desde el punto de vista de la energía generada, ya que permiten la transferencia directa de energía fotónica en un solo paso: en corriente electrica... En condiciones normales, una eficiencia del 28% es la norma para tales elementos.

Aquí se produce un intenso efecto fotoeléctrico debido a la falta de homogeneidad de la estructura semiconductora del material de trabajo.Esta falta de homogeneidad se obtiene dopando el material semiconductor utilizado con diferentes impurezas, creando así una unión pn, o conectando semiconductores con diferentes tamaños de espacio (energías a las que los electrones dejan sus átomos), obteniendo así una heterounión, o eligiendo una unión química de este tipo. composición del semiconductor en el que aparece un gradiente de banda prohibida, una estructura de brecha graduada. Como resultado, la eficiencia de un elemento dado depende de las características de falta de homogeneidad obtenidas dentro de una estructura semiconductora particular, así como de la fotoconductividad.

Para reducir las pérdidas en una celda solar, se utilizan una serie de regulaciones en su fabricación. En primer lugar, se utilizan semiconductores cuya banda prohibida es óptima solo para la luz solar, por ejemplo, compuestos de silicio y arseniuro de galio.En segundo lugar, las propiedades de la estructura se mejoran mediante un dopaje óptimo. Se da preferencia a las estructuras heterogéneas y graduadas. Se seleccionan el grosor óptimo de la capa, la profundidad de la unión p-n y los mejores parámetros de la rejilla de contacto.

También se crean elementos en cascada, donde trabajan varios semiconductores con diferentes bandas de frecuencia, para que después de pasar por una cascada, la luz entre en la siguiente, etc. La idea de descomponer el espectro solar parece prometedora, de modo que cada uno de sus Las regiones se transforman a partir de una sección separada de la fotocélula.

Hay tres tipos principales de células fotovoltaicas en el mercado hoy en día: silicio monocristalino, silicio policristalino y película delgada.Las películas delgadas se consideran las más prometedoras porque son sensibles incluso a la luz parásita, se pueden colocar en superficies curvas, no son tan frágiles como el silicio y son eficaces incluso a altas temperaturas de funcionamiento.

Ver también: Eficiencia de células y módulos solares.