Desarrollan células de silicio capaces de captar la radiación infrarroja del Sol

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Las células fotovoltaicas o células solares, más habituales, son dispositivos electrónicos que absorben luz (energía solar) y la convierte energía eléctrica (energía fotovoltaica). Esta generación de energía, de manera general, se basa en el efecto fotoeléctrico.

El efecto fotoeléctrico consiste en la emisión de electrones por parte de  un material cuando se hace incidir sobre él una radiación electromagnética (luz visible, ultravioleta, infrarojos …) Este efecto fue descubierto y descrito por Heinrich Hertz en 1887 pero fue Albert Einstein, en 1905, quien dió una explicación teórica del efecto en el artículo “Heurística de la generación y conversión de la luz”. Os aconsejo que veáis el siguiente video de Quimiotube.com explicativo del efecto fotoeléctrico.La energía absorbida del fotón (hν) es igual a la energía necesaria para arrancar un electrón (hν₀) más la energía cinética del electrón emitido (½mv²).

Las células fotovoltaicas se fabrican esencialmente con semiconductores, por ejemplo el silicio, se caracterizan por un diferencia energética pequeña entre la banda de conducción vacía y la banda valencia llena (ver post del 22 enero, 2014) por lo que los electrones de la banda de valencia pueden ser excitados a la de conducción mediante el efecto fotoeléctrico. Allí los electrones pueden moverse libremente. Esta conductividad se puede incrementar dopando al semiconductor puro, es decir, añadiendo impurezas que forman parte de la estructura cristalina del semiconductor ya que sustituyen átomos de la red original. Podemos distingir dos tipos de semiconductores dopados (seminconductor extrínseco):

  • Semiconductor Tipo N: Se obtiene mediante un proceso de dopaje añadiendo un cierto tipo de átomo al semiconductor para poder aumentar el número de portadores de carga libres negativos o electrones. Los electrones aportados están más débilmente vinculados a los átomos del semiconductor por lo que la energía necesaria para separarlo del átomo será menor. Por ejemplo si el Silicio fuese dopado por un elemento pentavalente (As, Sb o P), la energía necesaria para arranca el electrón aportado en el dopaje sería del orden de la centésima parte de la energía correspondiente a los electrones de los enlaces covalentes (entorno a 0,001 eV).

Semiconductor tipo n.png

  • Semiconductor tipo P: Se obtiene mediante un proceso de dopaje añadiendo un cierto tipo de átomos al semiconductor para aumentar el número de portadores de carga libres positivos o huecos. Las impurezas aportan vacantes (no huecos consecuencias del salto de un electrón) que tienen un nivel energético ligeramente superior al de la banda de valencia por lo que los electones saltarán con más facilidad a la vacante que a la banda de conducción, dejando huecos en la banda de valencia . Por ejemplo si el silicio fuese dopado con un elemento trivalente, este aportaría una vacante con un nivell energético superior ligeramente a la banda de valencia, del orden de 0,01 eV.

Semiconductor tipo p.png

El principio de una célula fotovoltaica es obligar a los electrones y a los huecos a avanzar hacia el lado opuesto del material en lugar de simplemente recombinarse en él: así, se producirá una diferencia de potencial. Como consecuencia las células fotovoltaicas más habituales son sistemas formados por un semiconductor n y un semiconductor p. Cuando se unen un semiconductor n y un semiconductor p se genera una región llamada de carga espacial (en la unión n-p) en el cual aparece un campo eléctrico permanente producido por la reordenación de las cargas. Al poner en contacto los dos semiconductores, los electrones de la zona n se mueven a la zona p, donde la concentración de electrones es mucho menor, por difusión y los huecos se difunden a la zona n. Este movimiento genera un desenquilibrio de cargas en ambos lados . En la zona n, al haber menos electrones hay un exceso de carga positiva y en la zon p, hay un exceso de carga negativa. Esto produce un campo eléctrico interno.

https://i2.wp.com/www.ujaen.es/investiga/solar/07cursosolar/home_main_frame/03_celula/01_basico/images/func_cel.gif

Cuando un fotón incide sobre la región de carga espacial de la unión n-p  se produce, por efecto fotoeléctrico, un par hueco-electrón que son separados por el campo eléctrico existente. El campo eléctrico hace de la región de carga espacial un diodo ya que solo permite el flujo de corriente en una dirección: los electrones pueden moverse de  la región p a la n, pero no en la dirección opuesta y los huecos no pasan más que de la n a la p.

Estos dispositivos pueden solucionar las grandes problemas energéticos actuales ya que el sol es una fuente de energía inagotable. Sim embargo el uso de las células fotovoltaicas no está generalizado debido su coste elevado y su baja eficacia, por debajo del 17%. Es decir, de cada vatio que recibimos del sol, sólo aprovechamos una pequeña parte: los 0,17 vatios que corresponden al espectro visible.

El motivo de la baja eficacia de las células fotovoltaicas convencionales reside en los materiales básicos usados en su fabricación, como el silicio, sólo pueden absorber y aprovechar una pequeña parte del espectro solar. El resto de la radicación solar, que corresponde a la zona infraroja, no es aprovechada y se pierde.

Un equipo de investigación liderado por el Consejo Superior de Indestigadores Científicas (CSIC) ha creado una célula fotovoltaica de silicio capaz de transformar en electricidad la radiación infraroja del sol. El trabajo aparece publicado el lunes 10 de Mazo en la revista Nature Communications.

“Lo que hemos hecho ha sido crear una célula fotovoltaica sobre microcavidades esféricas de Silicio donde la luz infraroja queda atrapada y da vueltas en su interior hasta que es transformada en electricidad.” dice Moisés Garín, investigador del CSIC y de la Universitat Politécnica de Catalunya.

Esto abre una puerta para el desarrollo de células solares y fotodetectores que puedan utilizar la luz infrarroja de manera más eficiente que los dispositivos fotovoltaicos de silicio que hasta ahora se han desarrollado.

Fuentes:

 

 

 

 

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