Efecto fotovoltaico

El efecto fotovoltaico es la generación de voltaje y corriente eléctrica en un material al exponerlo a la luz . Es un fenómeno físico . ^[1]

El efecto fotovoltaico está estrechamente relacionado con el efecto fotoeléctrico . En ambos fenómenos, la luz se absorbe, lo que provoca la excitación de un electrón u otro portador de carga a un estado de mayor energía. La principal distinción es que ahora se suele utilizar el término efecto fotoeléctrico cuando el electrón es expulsado del material (normalmente en el vacío) y efecto fotovoltaico cuando el portador de carga excitado todavía está contenido en el material. En ambos casos, se produce un potencial eléctrico (o voltaje) por la separación de cargas, y la luz debe tener una energía suficiente para superar la barrera de potencial para la excitación. La esencia física de la diferencia suele ser que la emisión fotoeléctrica separa las cargas por conducción balística y la emisión fotovoltaica las separa por difusión, pero algunos conceptos de dispositivos fotovoltaicos de "portador caliente" difuminan esta distinción.

La primera demostración del efecto fotovoltaico, realizada por Edmond Becquerel en 1839, se realizó mediante una célula electroquímica. En Comptes rendus de l'Académie des sciences , Becquerel explicó su descubrimiento como "la producción de una corriente eléctrica cuando dos placas de platino o de oro sumergidas en una solución ácida, neutra o alcalina se exponen de manera desigual a la radiación solar". ^[2]

La primera célula solar, que consiste en una capa de selenio cubierta con una fina película de oro, fue experimentada por Charles Fritts en 1884, pero tenía una eficiencia muy pobre. ^[3] Sin embargo, la forma más conocida del efecto fotovoltaico utiliza dispositivos de estado sólido, principalmente en fotodiodos . Cuando la luz solar u otra luz suficientemente energética incide sobre el fotodiodo, los electrones presentes en la banda de valencia absorben energía y, al ser excitados, saltan a la banda de conducción y quedan libres. Estos electrones excitados se difunden, y algunos alcanzan la unión rectificadora (generalmente una unión p–n de diodo ) donde son acelerados hacia el material semiconductor de tipo n por el potencial incorporado ( potencial de Galvani ). Esto genera una fuerza electromotriz y una corriente eléctrica, y así parte de la energía de la luz se convierte en energía eléctrica. El efecto fotovoltaico también puede ocurrir cuando dos fotones se absorben simultáneamente en un proceso llamado efecto fotovoltaico de dos fotones .

Además de la excitación fotovoltaica directa de electrones libres, también puede surgir una corriente eléctrica a través del efecto Seebeck . Cuando un material conductor o semiconductor se calienta por absorción de radiación electromagnética, el calentamiento puede provocar gradientes de temperatura mayores en el material semiconductor o diferenciales entre materiales. Estas diferencias térmicas a su vez pueden generar un voltaje porque los niveles de energía de los electrones se desplazan de manera diferente en diferentes áreas, lo que crea una diferencia de potencial entre esas áreas que, a su vez, crea una corriente eléctrica. Las contribuciones relativas del efecto fotovoltaico frente al efecto Seebeck dependen de muchas características de los materiales constituyentes. ^{[ cita requerida ]}

Todos los efectos anteriores generan corriente continua, la primera demostración del efecto fotovoltaico de corriente alterna (CA PV) fue realizada por el Dr. Haiyang Zou y el Prof. Zhong Lin Wang en el Instituto de Tecnología de Georgia en 2017. El efecto CA PV es la generación de corriente alterna (CA) en los estados de no equilibrio cuando la luz brilla periódicamente en la unión o interfaz del material. ^[5] El efecto CA PV se basa en el modelo capacitivo de que la corriente depende en gran medida de la frecuencia del chopper. Se sugiere que el efecto CA PV es el resultado del cambio relativo y la realineación entre los niveles cuasi-Fermi de los semiconductores adyacentes a la unión/interfaz en las condiciones de no equilibrio. Los electrones fluyen en el circuito externo de ida y vuelta para equilibrar la diferencia de potencial entre dos electrodos. La célula solar orgánica, cuyos materiales no tienen una concentración inicial de portadores, no tiene el efecto CA PV.

El rendimiento de un módulo fotovoltaico depende de las condiciones ambientales, principalmente de la irradiancia incidente global G sobre el plano del módulo. Sin embargo, la temperatura T de la unión p–n también influye en los principales parámetros eléctricos: la corriente de cortocircuito ISC, la tensión de circuito abierto VOC y la potencia máxima Pmax. Los primeros estudios sobre el comportamiento de las células fotovoltaicas en condiciones variables de G y T se remontan a varias décadas atrás.1-4 En general, se sabe que VOC muestra una correlación inversa significativa con T, mientras que para ISC esa correlación es directa, pero más débil, de modo que este incremento no compensa la disminución de VOC. Como consecuencia, Pmax se reduce cuando T aumenta. Esta correlación entre la potencia de salida de una célula solar y su temperatura de trabajo de unión depende del material semiconductor,2 y se debe a la influencia de T en la concentración, la vida útil y la movilidad de los portadores intrínsecos, es decir, electrones y huecos, dentro de la célula fotovoltaica.

La sensibilidad a la temperatura se describe habitualmente mediante unos coeficientes de temperatura, cada uno de los cuales expresa la derivada del parámetro al que se refiere respecto de la temperatura de unión. Los valores de estos parámetros se pueden encontrar en cualquier hoja de datos de un módulo fotovoltaico y son los siguientes:

– β Coeficiente de variación de VOC con respecto a T, dado por ∂VOC/∂T.

– α Coeficiente de variación de ISC con respecto a T, dado por ∂ISC/∂T.

– δ Coeficiente de variación de Pmax con respecto a T, dado por ∂Pmax/∂T.

En la literatura se pueden encontrar técnicas para estimar estos coeficientes a partir de datos experimentales. ^[6] Pocos estudios analizan la variación de la resistencia en serie con respecto a la temperatura de la celda o módulo. Esta dependencia se estudia procesando adecuadamente la curva corriente-voltaje. El coeficiente de temperatura de la resistencia en serie se estima utilizando el modelo de diodo simple o el de diodo doble. ^[7]

En la mayoría de las aplicaciones fotovoltaicas, la fuente de radiación es la luz solar y los dispositivos se denominan células solares . En el caso de una célula solar de unión p-n (diodo) semiconductora, la iluminación del material crea una corriente eléctrica porque los electrones excitados y los huecos restantes son barridos en diferentes direcciones por el campo eléctrico incorporado de la región de agotamiento. ^[8]

El sistema fotovoltaico de CA funciona en condiciones de no equilibrio. El primer estudio se basó en una nanopelícula de p-Si/TiO2 _. Se descubrió que, a excepción de la salida de CC generada por el efecto fotovoltaico convencional basado en la unión ap-n, también se produce corriente de CA cuando se enciende una luz intermitente en la interfaz. El efecto fotovoltaico de CA no sigue la ley de Ohm, ya que se basa en el modelo capacitivo según el cual la corriente depende en gran medida de la frecuencia del chopper, pero el voltaje es independiente de la frecuencia. La corriente pico de CA a una frecuencia de conmutación alta puede ser mucho mayor que la de CC. La magnitud de la salida también está asociada con la absorción de luz de los materiales.

• Teoría de las células solares
• Fuerza electromotriz en células solares
• Efecto fotoeléctrico