CÉLULAS SOLARES  FOTOVOLTAICAS PARA PRODUCIR ELECTRICIDAD

CÉLULAS SOLARES FOTOVOLTAICAS PARA PRODUCIR ELECTRICIDAD

abril 14, 2018 Desactivado Por admin

Existen el mercado células solares fotovoltaicas para producir electricidad,son de distinto tipos y eficiencia

La energía solar también se puede considerar como “energía solar” y la clave de la energía solar es la célula solar o célula fotovoltaica (PV). 

La energía solar es una de las formas más viables y limpias de energía renovable porque podemos usar la energía del sol dentro de la luz solar para producir electricidad por medio de células solares.




CÉLULAS SOLARES FOTOVOLTAICAS PARA PRODUCIR ELECTRICIDAD

¿Que es una célula solar?

El proceso de generación de electricidad está a cargo de células solares fotovoltaicas para producir electricidad

Las células solares fotovoltaicas para producir electricidad  (PV) son dispositivos semiconductores hechos de obleas de silicio altamente purificado (Si) dopado con impurezas especiales que les da una gran cantidad de “electrones” y “agujeros” dentro de su estructura reticular. 

¿Cómo funciona una celda solar?

La célula solar funciona de acuerdo con lo que se llama el efecto fotovoltaico, donde la foto significa luz y voltaico significa electricidad. Las células solares se denominan más técnicamente células solares fotovoltaicas , fotovoltaicas o simplemente fotovoltaicas .

Los sistemas fotovoltaicos son dispositivos semiconductores de silicio similares en muchos aspectos a los diodos y transistores electrónicos. 

La energía fotovoltaica produce electricidad mediante la conversión de la energía solar generada por el sol en forma de luz visible, radiación ultravioleta (UV) o radiación infrarroja (IR) en una corriente continua o CC mediante el uso de la acción fotovoltaica de la célula sin el uso de cualquier parte móvil.

La luz del sol es limpia, fácil de aprovechar y está disponible gratuitamente en todo el mundo, con el único costo de estar en el costo de un panel solar, lo que hace que la energía solar sea una opción ideal para la generación local de electricidad en el hogar. 

La electricidad solar también es muy respetuosa con el medio ambiente, ya que no produce contaminación ni residuos de subproductos, no contamina el aire o el agua, y es completamente silenciosa, lo que la hace ideal para un futuro más ecológico.

¿Con que material se fabrican las células solares?

 Uno de los tipos más comunes de células solares fotovoltaicas está hecho de un semiconductor de silicio especialmente tratado y, por lo tanto, se lo conoce como célula solar fotovoltaica de silicio.

Convirtiendo la luz solar en energía eléctrica

células solare fotovoltaicas para producir electricidad

Las células solares convierten la energía de la luz solar en una corriente eléctrica, no almacenan energía, pero pueden considerarse como una batería pequeña que produce un voltaje de salida fijo de aproximadamente 0,5 a 0,6 voltios, dependiendo del tipo.




Las células solares fotovoltaicas producen una corriente continua de salida variable que es proporcional a su tamaño y la cantidad de radiación solar que cae sobre la oblea de silicio. 

Siendo dispositivos de semiconductores de silicio, consisten en una capa de tipo P positiva y una capa de tipo N negativa unidas para formar una “unión PN” muy similar a la del diodo de unión PN.

La célula solar fotovoltaica está hecha de cristales de silicio. Los átomos de cristal de silicio tienen cuatro electrones en su orbital más externo. 

Estos cuatro electrones se comparten con átomos de silicio vecinos para formar orbitales completos de ocho electrones que crean una estructura atómica estable. 

Cuando la luz del sol golpea el material de silicio, los electrones son “golpeados” desde su orbital y se convierten en “electrones libres”. 

Debido a que los electrones en el material cristalino de silicio solo se liberan cuando se exponen a la luz, se lo denomina semiconductor.

En otras palabras, la exposición de silicio a la luz hace que sus electrones se vuelvan móviles o libres. 

Pero simplemente exponer un semiconductor a la luz no es suficiente para extraer una corriente eléctrica de él, para eso necesitamos crear polos “positivos” y “negativos” dentro del silicio, permitiendo que los electrones y por lo tanto, una corriente fluya dentro y fuera del silicio material.

Algunos usos de la electricidad generada por células solares

Semiconductores de tipo N de células solares fotovoltaicas

Para que nuestro cristal de silicio conduzca la electricidad, tenemos que introducir un átomo de impurezas como el fósforo (P) en la estructura cristalina por lo que es extrínseco (se agregan impurezas). 

Los átomos de fósforo tienen cinco electrones externos en su orbital más externo para compartir con los átomos vecinos y comúnmente se denominan impurezas “pentavalentes” (5 electrones). 

Esto permite que cuatro de los cinco electrones orbitales se unan con sus átomos de silicio vecinos, dejando un “electrón libre” flotando alrededor del cristal dopado.

Cuando se exponen a la luz solar, los electrones liberados de los átomos de silicio se reemplazan rápidamente por los electrones libres disponibles a partir de los átomos de fósforo dopados (flujo de electrones).

 Pero esta acción aún deja un electrón extra (el electrón liberado) flotando alrededor del cristal dopado, lo que hace que tenga una carga negativa. 

Entonces, un material semiconductor se clasifica como tipo N cuando tiene un exceso de electrones, creando así un polo negativo. Como cada átomo de impurezas “dona” un electrón, los átomos pentavalentes generalmente se conocen como “donantes”.

Semiconductores fotovoltaicos de células solares tipo P

Si vamos por el otro lado, e introducimos una impureza “trivalente” (3 electrones) en la estructura cristalina, como el boro (B), que tiene solo cinco electrones dispuestos en tres capas alrededor de su núcleo, teniendo el orbital más externo solo tres electrones, el cuarto enlace cerrado no se puede formar. 

Por lo tanto, no es posible una conexión estable completa, dando al material semiconductor una gran cantidad de portadores cargados positivamente conocidos como “agujeros” en la estructura del cristal donde los electrones están efectivamente ausentes.

Como ahora hay un agujero en el cristal de silicio, un electrón vecino se siente atraído e intenta moverse hacia el agujero para llenarlo.

 Sin embargo, el electrón que llena el orificio deja otro agujero detrás mientras se mueve. 

Esto a su vez atrae a otro electrón que a su vez crea otro agujero detrás de él, y así sucesivamente, dando la apariencia de que los agujeros se mueven como una carga positiva a través de la estructura cristalina del semiconductor. 

Este movimiento de agujeros representa el flujo de corriente convencional.

 El movimiento de los orificios produce una escasez de electrones en el silicio que convierte todo el cristal dopado en un polo positivo. 

Por lo tanto, un material semiconductor de tipo P tiene más agujeros que electrones y, dado que cada átomo de impurezas genera un agujero, las impurezas trivalentes se conocen generalmente como ” Aceptadores ” ya que continuamente “aceptan” electrones extra o libres.

Por sí solos, los materiales semiconductores de tipo N y tipo P son eléctricamente neutros, pero cuando estos dos materiales semiconductores se juntan por primera vez, algunos de los electrones libres se mueven a través de la unión para llenar los agujeros en el material de tipo P produciendo negativo iones, pero debido a que los electrones se han movido dejan atrás los iones positivos en el lado negativo N y los agujeros se mueven a través de la unión en la dirección opuesta a la región donde hay un gran número de electrones libres. Este movimiento de electrones y agujeros a través de la unión se conoce como difusión .

Este proceso continúa hasta que la cantidad de electrones que han cruzado la unión tenga una carga eléctrica lo suficientemente grande para repeler o evitar que más transportadores crucen la unión.

 Eventualmente se producirá un estado de equilibrio (situación eléctricamente neutra) produciendo una zona de ” Barrera potencial ” alrededor del área de la unión a medida que los átomos donantes repelen los agujeros y los átomos aceptoras repelen a los electrones.

 Dado que ningún transportista de carga libre puede descansar en una posición donde existe una barrera potencial, por lo tanto, se “agota” cualquier portador móvil gratuito, y esta área alrededor de la unión ahora se denomina Capa de agotamiento .

La importancia de este potencial incorporado es que se opone tanto al flujo de agujeros como a los electrones a través de la unión y es por eso que se llama barrera potencial. 

La luz solar es una radiación electromagnética que consiste en unidades muy pequeñas de energía de luz llamadas fotones. 

Cuando un fotón en forma de luz solar golpea o choca con la unión PN del material semiconductor de las células solares, la energía del fotón se desaloja o suelta cualquier electrón libre dentro de esta unión PN a medida que se excita con la energía de los fotones. 

Esto hace que los electrones se liberen y puedan moverse libremente a través de la capa de agotamiento, dejando en su lugar un agujero o una carga positiva.

En el material de tipo P, estos electrones libres atraviesan fácilmente la capa de agotamiento y el material de tipo N, pero este movimiento de electrones es unidireccional, ya que los electrones no pueden cruzar la capa de agotamiento de nuevo hacia el P- tipo de material. 




Como resultado, un exceso de electrones libres se acumula en el material semiconductor de tipo N, creando una corriente eléctrica dentro de la célula solar y continuará indefinidamente mientras haya exposición a la luz solar.

A medida que ahora se crean los lados positivo y negativo de la unión, la célula solar fotovoltaica actúa como un tipo de batería que produce un voltaje y una corriente continua. 

Entonces, una célula solar convierte los fotones en electrones en forma de corriente eléctrica. 

Pequeños cables o nervaduras metálicas están conectados a los materiales semiconductores tipo P y tipo N para aprovechar esta energía recién creada que produce energía solar en la forma de un flujo de corriente CC como se muestra a continuación.

Construcción de células solares fotovoltaicas

 célula solar fotovoltaica para producir electricidad

La energía  del sol golpea la célula solar

La oblea de silicio de la célula solar fotovoltaica orientada hacia el sol consiste en los contactos eléctricos y está recubierta con un revestimiento antirreflectante que ayuda a absorber la luz solar de manera eficiente. 

Los contactos eléctricos proporcionan la conexión entre el material semiconductor y la carga eléctrica externa, como una bombilla o batería. 

Cuando la luz del sol brilla en una célula fotovoltaica, los fotones de luz golpean la superficie del material semiconductor y liberan electrones de la estructura del átomo de los materiales. 

Ciertos químicos dopantes se agregan a la composición de los semiconductores para ayudar a establecer un camino de los electrones liberados.

Esto crea un flujo de electrones que forma una corriente eléctrica que comienza a fluir sobre la superficie de la célula solar fotovoltaica. 

Tiras metálicas se colocan a través de la superficie de la célula fotovoltaica para recoger estos electrones que forman la conexión positiva. 

La parte posterior de la célula fotovoltaica, el lado alejado de la luz solar entrante, consiste en una capa de metal de aluminio o molibdeno que forma la conexión negativa con la célula. 

Entonces, una célula solar fotovoltaica tiene dos conexiones eléctricas para flujo de corriente convencional, una positiva y otra negativa.

 ¿Que tipo de corriente eléctrica producen las células solares?

El tipo de energía solar producida por una célula solar fotovoltaica se denomina corriente continua o corriente continua, al igual que una batería. 

La mayoría de las células solares fotovoltaicas producen un voltaje de circuito abierto “sin carga” (nada conectado) de aproximadamente 0.5 a 0.6 voltios cuando no hay un circuito externo conectado. 

Esta tensión de salida ( OUT ) depende en gran medida de las demandas de corriente de carga ( I ) de la célula PV. Por ejemplo, en días muy nublados o aburridos, la demanda actual sería baja y, por lo tanto, la celda podría proporcionar el voltaje de salida completo, OUT, pero a una corriente de salida reducida. 

Pero a medida que la demanda actual de carga aumenta, se necesita una luz más brillante (radiación solar) en la unión para mantener un voltaje de salida completo, Vout.

Sin embargo, existe un límite físico para la corriente máxima que puede proporcionar una sola célula solar fotovoltaica, sin importar cuán intensa o brillante sea la radiación del sol. 

Esto se llama corriente máxima entregable y se simboliza como IMAX . 

El valor MAX de una sola célula solar fotovoltaica depende del tamaño o área superficial de la célula (especialmente la unión PN), la cantidad de luz solar directa que llega a la célula, su eficiencia para convertir esta energía solar en corriente y, por supuesto, el tipo de material semiconductor que la célula está fabricada a partir de silicio, arseniuro de galio, sulfuro de cadmio, teluro de cadmio, etc.

La mayoría de las células solares fotovoltaicas disponibles comercialmente tienen clasificaciones de energía solar que indican la potencia solar máxima entregable, MAX que la celda puede proporcionar en vatios y es igual al producto de la tensión V de la celda multiplicado por la corriente máxima de la celda I y se da como:

Leer mas sobre : Energía solar térmica