El efecto de la longitud de onda en células fotovoltaicas

El efecto de la longitud de onda en células fotovoltaicas

Las c√©lulas solares dependen de un fen√≥meno conocido como efecto fotovoltaico, descubierto por el f√≠sico franc√©s alexandre edmond becquerel (1820-1891). est√° relacionado con el efecto fotoel√©ctrico, un fen√≥meno por el cual los electrones son expulsados ‚Äč‚Äčde un material conductor cuando la luz brilla sobre √©l. Albert Einstein (1879-1955) gan√≥ el Premio Nobel de f√≠sica de 1921 por su explicaci√≥n de ese fen√≥meno, utilizando principios cu√°nticos que eran nuevos en ese momento. a diferencia del efecto fotoel√©ctrico, el efecto fotovoltaico tiene lugar en el l√≠mite de dos placas semiconductoras, no en una sola placa conductora. en realidad no se expulsan electrones cuando la luz brilla. en su lugar, se acumulan a lo largo del l√≠mite para crear un voltaje. cuando conecte las dos placas con un cable conductor, fluir√° una corriente en el cable.

El gran logro de einstein, y la raz√≥n por la cual gan√≥ el premio nobel, fue reconocer que la energ√≠a de los electrones expulsados ‚Äč‚Äčde una placa fotoel√©ctrica depend√≠a, no de la intensidad de la luz (amplitud), como predijo la teor√≠a de la onda, sino de la frecuencia, que es Lo inverso de la longitud de onda. cuanto m√°s corta sea la longitud de onda de la luz incidente, mayor ser√° la frecuencia de la luz y la energ√≠a que poseen los electrones expulsados. De la misma manera, las c√©lulas fotovoltaicas son sensibles a la longitud de onda y responden mejor a la luz solar en algunas partes del espectro que en otras. para entender por qu√©, es √ļtil revisar la explicaci√≥n de einstein del efecto fotoel√©ctrico.

El efecto de la longitud de onda de la energía solar sobre la energía electrónica.

La explicaci√≥n de einstein del efecto fotoel√©ctrico ayud√≥ a establecer el modelo cu√°ntico de la luz. Cada haz de luz, llamado fot√≥n, tiene una energ√≠a caracter√≠stica determinada por su frecuencia de vibraci√≥n. La energ√≠a (e) de un fot√≥n est√° dada por la ley de planck: e = hf, donde f es la frecuencia y h es la constante de planck (6.626 √ó 10 ‚ąí34 julios ‚ąô segundo). a pesar del hecho de que un fot√≥n tiene una naturaleza de part√≠cula, tambi√©n tiene caracter√≠sticas de onda, y para cualquier onda, su frecuencia es el rec√≠proco de su longitud de onda (que aqu√≠ se denota por w). si la velocidad de la luz es c, entonces f = c / w, y la ley de planck puede escribirse:

e = hc / w

cuando los fotones inciden en un material conductor, chocan con los electrones en los √°tomos individuales. Si los fotones tienen suficiente energ√≠a, eliminan los electrones en las capas externas. Estos electrones son libres para circular a trav√©s del material. Dependiendo de la energ√≠a de los fotones incidentes, pueden ser expulsados ‚Äč‚Äčdel material por completo.

De acuerdo con la ley de planck, la energía de los fotones incidentes es inversamente proporcional a su longitud de onda. La radiación de longitud de onda corta ocupa el extremo violeta del espectro e incluye radiación ultravioleta y rayos gamma. por otro lado, la radiación de longitud de onda larga ocupa el extremo rojo e incluye radiación infrarroja, microondas y ondas de radio.

La luz solar contiene un espectro completo de radiaci√≥n, pero solo la luz con una longitud de onda suficientemente corta producir√° los efectos fotoel√©ctricos o fotovoltaicos. esto significa que una parte del espectro solar es √ļtil para generar electricidad. No importa lo brillante o tenue que sea la luz. solo tiene que tener, como m√≠nimo, la longitud de onda de la c√©lula solar. La radiaci√≥n ultravioleta de alta energ√≠a puede penetrar en las nubes, lo que significa que las c√©lulas solares deber√≠an funcionar en d√≠as nublados, y lo hacen.

Función de trabajo y banda

un fotón debe tener un valor de energía mínimo para excitar a los electrones lo suficiente como para sacarlos de sus orbitales y permitirles moverse libremente. en un material conductor, esta energía mínima se denomina función de trabajo, y es diferente para cada material conductor. La energía cinética de un electrón liberado por colisión con un fotón es igual a la energía del fotón menos la función de trabajo.

En una c√©lula fotovoltaica, dos materiales semiconductores diferentes se fusionan para crear lo que los f√≠sicos llaman una uni√≥n pn. en la pr√°ctica, es com√ļn usar un solo material, como el silicio, y dopeearlo con diferentes productos qu√≠micos para crear esta uni√≥n. por ejemplo, el silicio dopante con antimonio crea un semiconductor de tipo n, y el dopaje con boro produce un semiconductor de tipo p. Los electrones eliminados de sus √≥rbitas se acumulan cerca de la uni√≥n pn y aumentan el voltaje a trav√©s de ella. La energ√≠a de umbral para expulsar a un electr√≥n de su √≥rbita y entrar en la banda de conducci√≥n se conoce como intervalo de banda. Es similar a la funci√≥n de trabajo.

longitudes de onda mínimas y máximas

para que se desarrolle un voltaje a través de la unión pn de una célula solar. La radiación incidente debe exceder la energía del intervalo de banda. Esto es diferente para diferentes materiales. Son 1,11 voltios de electrones para el silicio, que es el material utilizado con mayor frecuencia para las células solares. un voltio de electrones = 1.6 × 10 -19 julios, por lo que la energía del intervalo de banda es de 1.78 × 10 -19 julios. reorganizar la ecuación de la tabla y resolver la longitud de onda le indica la longitud de onda de la luz que corresponde a esta energía:

w = hc / e = 1,110 nanómetros (1.11 × 10 -6 metros)

las longitudes de onda de la luz visible se producen entre 400 y 700 nm, por lo que la longitud de onda del ancho de banda para las células solares de silicio se encuentra en el rango infrarrojo muy cercano. cualquier radiación con una longitud de onda más larga, como las microondas y las ondas de radio, carece de energía para producir electricidad a partir de una célula solar.

cualquier fot√≥n con una energ√≠a superior a 1.11 ev puede desalojar un electr√≥n de un √°tomo de silicio y enviarlo a la banda de conducci√≥n. Sin embargo, en la pr√°ctica, los fotones de longitud de onda muy corta (con una energ√≠a de m√°s de aproximadamente 3 ev) env√≠an electrones a la banda de conducci√≥n y los dejan inhabilitados para funcionar. El umbral de longitud de onda superior para obtener trabajo √ļtil del efecto fotoel√©ctrico en paneles solares depende de la estructura de la c√©lula solar, los materiales utilizados en su construcci√≥n y las caracter√≠sticas del circuito.

Energía solar, longitud de onda y eficiencia celular.

en resumen, las células pv son sensibles a la luz de todo el espectro siempre que la longitud de onda esté por encima del intervalo de banda del material utilizado para la célula, pero se desperdicia luz de longitud de onda extremadamente corta. Este es uno de los factores que afecta la eficiencia de las células solares. Otro es el espesor del material semiconductor. Si los fotones tienen que recorrer un largo camino a través del material, pierden energía a través de colisiones con otras partículas y pueden no tener suficiente energía para desalojar un electrón.

Un tercer factor que afecta la eficiencia es la reflectividad de la célula solar. una cierta fracción de la luz incidente rebota en la superficie de la célula sin encontrarse con un electrón. Para reducir las pérdidas por reflectividad y aumentar la eficiencia, los fabricantes de células solares generalmente cubren las células con un material no reflectante que absorbe la luz. Por eso las células solares suelen ser negras.



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