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Elementos químicos que gobiernan el efecto fotovoltaico

por: Eliseo Sebastian
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Elementos Químicos de la Tabla Periódica

Átomos y elementos fotovoltaicos

1. Introducción

El Ingeniero Químico como todo estudiante de Ciencias lo primero que oye de sus profesores es algo relacionado con la llamada TABLA PERIÓDICA DE LOS ELEMENTOS QUÍMICOS.

Tabla porque es una agrupación ordenada de dichos elementos químicos en función de su propio «número atómico», su propia característica y fuerzas de atracción, su dominio que los distingue uno de otros en forma particular.

En esta TABLA se puede apreciar por ejemplo entre «metálicos y no metálicos», grupos con propiedades de facilidad de enlaces entre ellos o no, pesados y livianos, gases y no gases, con tantos o cuántos electrones en su órbita o protones y neutrones en sus núcleos, livianos, más livianos o pesados.

Estos Elementos Químicos son los Átomos organizados desde cuando presentó el científico Dmitri Mendeléyev y Lothar Meyer  hace más de 152 años.

Hoy nos toca apreciar sus dotes apoyo uno con otro para tratar de explicar el gran efecto fotovoltaico. Dotes de algunos átomos que apoyan entender por qué es que los rayos del Sol producen la corriente eléctrica. Pues, allá vamos.

2. Los átomos se enlazan y están activos

Los átomos no están solos ni aislados en la naturaleza, estos están siempre agrupados formando cuantiosas unidades de moléculas y, estas moléculas son las que forman sustancias conocidas con nombre de cuerpos unidos por su actividad química.

Un átomo

La actividad química de los átomos reside en los electrones, específicamente en los electrones de valencia que están en la última órbita o la última capa o nivel de energía del átomo como vemos en esta figura.

Los átomos se unen entre sí por la fuerza de atracción que tienen entre ellos, esta fuerza de atracción está dada por la cantidad de electrones de valencia en su última órbita mencionada. A todo este proceso se le conoce como ‘enlace químico’.

3. El Silicio

El silicio tiene algunas propiedades químicas especiales en su forma cristalina y es el elemento importante en la formación de las células solares que sirven para producir energía limpia. 

Gracias a este elemento su desarrollo ha sido más relevante para formar células de silicio monocristalino que están constituidas por un único cristal de silicio, normalmente manufacturado mediante el proceso Czochralski, para la producción de células monocristalinas o células de silicio monocristalinas, dándose a un tremendo empuje al funcionamiento de los paneles solares fotovoltaicos. 

Átomo de Silicio

Un átomo de silicio tiene 14 electrones, dispuestos en tres niveles. Las primeras dos órbitas reúnen dos y ocho electrones respectivamente – En la última órbita, 3er. nivel es diferente, hay solo cuatro electrones.

El átomo de silicio busca la manera de llenar su última órbita con 8 electrones, para hacer esto, comparte electrones con cuatro átomos de otro átomo vecino. Es como si se dieran la mano entre amigos, entre átomos se sostienen con la mano. Así funcionan los paneles solares fotovoltaicos.

Como alguien dijo, cada átomo tiene cuatro manos que se unen con otras cuatro del vecino para completar los ocho electrones.

Cada átomo está unido de forma covalente con otros 4 átomos formando siempre enlaces químico, los electrones libres no existen.

Eso es lo que forma la estructura cristalina del silicio, esto es lo que favorece a una célula para ser célula fotovoltaica, como ahondamos en otro artículo.

4. Fósforo

El fósforo con cinco electrones de valenciaen el átomo es un ejemplo de ser un elemento no conductor de corriente eléctrica. 

Una de las propiedades de los elementos no metales como el fósforo son por ejemplo que los elementos no metales son malos conductores del calor y la electricidad. 

Los electrones del fósforo se encuentran distribuidos de la siguiente manera: dos en la primera capa, ocho en la segunda y cinco en la tercera.

Átomo de Fósforo

Esto quiere decir, en términos de la tabla periódica, que el fósforo es un elemento del tercer período (tiene electrones hasta la tercera capa).

A veces se dice que es del quinto grupo, por esos cinco electrones. En cualquier caso, la cuestión es que el fósforo es un elemento extremadamente reactivo: puede ganar tres electrones (y tener ocho en la última capa, con lo que está completo), puede perder cinco electrones (con lo que no tiene ninguno en la tercera capa, la segunda completa) o puede incluso hacer cosas intermedias, como perder tres electrones (con lo que la última capa sigue incompleta, pero una sub capa está completa con dos electrones).

Cuando el lado negativo del panel solar, formado por Silicio/Fósforo, se expone al sol en el ángulo adecuado, los fotones bombardean los átomos y pueden liberar los electrones extra del fósforo. A medida que los fotones de la luz solar van liberando electrones, se va generando más electricidad gracias al apoyo del elemento químico fósforo. 

5. Boro

El Boro tiene a tres electrones de valencia y cinco huecos-partículas.

El boro actúa como un no metal, sin embargo, el boro puro es un conductor eléctrico, como los metales.

Átomo de Boro

Boro tiene a 3 electrones de valencia representados por 3 pequeños círculos rellenos de color rojo a su alrededor y los 5 huecos que son 5 círculos pequeños y vacíos.

La carga eléctrica del átomo es +5. El grupo del boro tiene a un par de huecos libres que configuran al enlace de un electrón.

Si dopamos al cristal de silicio con un átomo del grupo del Boro que lo vamos a identificar como un dopaje tipo P3 donde es P, porque es un dopaje que permite la aparición de hueco-partículas adicionales asociadas al dopaje y 3, ya que el átomo dopante donante de huecos es del grupo del Boro donde solo tienen 3 electrones de valencia.

El boro elemental es químicamente bastante inerte, aunque su reactividad aumenta con la temperatura y entonces es un buen reductor.

El boro amorfo es más reactivo que el cristalino y se usa en pirotecnia (proporciona color verde) y en el encendido de cohetes.

Al aire y a unos 700?°C el boro se inflama produciendo óxido, de carácter ácido. Tiene propiedades lubricantes como el grafito. (Google).

El boro tiene una capacidad similar a la del carbono de formar redes moleculares estables de átomos unidos en covalente: carboranos, metaloboranos, fosfocarboranos y otras familias con miles de compuestos.

El boro es un elemento con vacantes electrónicas en el orbital, presenta la cantidad de electrones, de modo que sus compuestos se comportan a menudo como ácidos reaccionando con rapidez con sustancias ricas en electrones.

Entre las características ópticas de este elemento, se incluye la transmisión de radiación infrarroja.

A temperatura ambiente, su conductividad eléctrica es pequeña, pero es buen conductor de la electricidad a alta temperatura.

6. Galio

En cuanto a la posición del galio éste se encuentra en el grupo 13 y período 4 de la tabla de elementos químicos.

El galio tiene una masa atómica de 69,723 u.

Átomo de Galio

La configuración electrónica de los elementos, determina la forma en la cual los electrones están estructurados en los átomos de un elemento.

El átomo galio tiene un total de 31 electrones cuya distribución es la siguiente: En la primera capa tiene 2 electrones, en la segunda 8 electrones, en su tercera capa 18 electrones y en la cuarta 3 electrones.

Galio es parte en la fabricación de las células fotovoltaicas de los paneles solares. Sus electrones son «inquietos» lo que le suman elevada velocidad para el proceso físico en cada celda solar.

7. Conclusión

Todos estos elementos arriba anotados ayudan al fenómeno fotovoltaico donde el rey es el Silicio y con lo que nuestra visión es más asequible para entender el fenómeno de la corriente eléctrica o energía limpia para la vida de nosotros los seres vivos.

Como hemos apreciado, hemos tratado sobre los elementos químicos donde el rey es el Silicio para dar origen a la célula o módulo solar que es también llamado elemento o capa que constituye como parte de los materiales de un panel solar fotovoltaico.

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