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Semiconductor en las células solar fotovoltaica

por: Eliseo Sebastian
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Átomo: Partícula Más Pequeña de la Materia

Electrón: Partícula de la partícula

1. Introducción

Vale la pena tener muy presente las líneas arriba indicadas como para tener presente y buscar temas al rededor de conductor o semiconductor, ambos en el campo eléctrico o electrónico.

Empecemos distinguiendo que los semiconductores son materiales capaces de actuar como conductores eléctricos o como aislantes eléctricos, dependiendo de las condiciones físicas en que se encuentren.

Hoy, fácilmente se lee la literatura de los semiconductores inorgánicos y los semiconductores orgánicos.

En la tecnología fotovoltaica se utilizan paneles solares fabricados con semiconductores inorgánicos como es el SILICIO del cual nos ocuparemos más abajo.

Para convertir la radiación solar en energía aprovechable se considera a los semiconductores como una porción superimportante del fenómeno fotovoltaico. 

2. Conceptos generales previos

Para dominar el concepto de semiconductores debemos recordar los siguientes tópicos:

Fuente: https://lifeder.com
2.1 Elementos y átomos.-

Recordemos que materia es todo aquello que se encuentra en el espacio; posee energía y está sujeto a cambios con el tiempo, con interacciones perceptibles y detectables con acciones físicas. Materia es sustancia de la que está hecha las cosas y tiene una masa.

Un elemento químico es un tipo de materia que tiene sus átomos y estos átomos contienen protones en su núcleo, haciéndolo pertenecer a una categoría única clasificada por su número atómico.

El átomo es la partícula más pequeña y estable que mantiene todas las propiedades de un elemento. Cada átomo, a su vez, posee partes más pequeñas, conocidas como partículas subatómicas. Estas incluyen protones, neutrones y electrones. (Más).

Átomo
2.2 Los electrones.-

Los electrones de valencia son los electrones que se encuentran en la capa de mayor nivel de energía del átomo, son los responsables de la interacción entre átomos de distintas o de una misma especie.

Estos electrones son los principales responsables del tipo de enlace químico de los átomos, es decir, de la fuerza que tienen los átomos para unirse.

Entonces, queda claro que el electrón es uno de los componentes de los átomos y estos átomos forman la materia que son parte importante de los elementos químicos. De estos elementos vamos a referirnos en esta parte de nuestro estudio.

2.3 ¿Dónde están los electrones?.- 

En el átomo distinguimos dos partes: la corteza y el núcleo (Leer más). 

La corteza es la parte exterior del átomo. En ella se encuentran los electrones, con carga negativa. Los electrones están ordenados en distintos niveles y se mueven (giran) alrededor del núcleo del átomo.

2.4 El núcleo.-

Es la parte central del átomo. Contiene partículas con carga positiva y partículas que no tienen carga. Las primeras son los llamados protones y las segundas son los neutrones.

Los átomos son eléctricamente neutros, debido a que tienen igual número de protones que de electrones. Así, el número atómico también coincide con el número de electrones.

3. A lo que queríamos llegar

3.1 Comparten electrones.-

Los elementos que sí se combinan y comparten electrones son los que tienen un número diferente de los mismos en su última órbita.

Luz visible de fotones
3.2 Sus átomos ceden y comparten electrones.-

Se intercambian de electrones porque un elemento tiene para hacerlo con átomos de otros elementos químicos hasta alcanzar una configuración totalmente estable con sus ocho electrones finalmente.

4. Hablemos de los FOTONES

Los fotones son las partículas de la luz ultravioleta, luz infrarroja, rayos X, rayos gamma y demás rayos de las formas de radiación electromagnéticas, portadoras de la luz visible que siempre viajan en el vacío a velocidad constante y carecen de masa y no tienen carga eléctrica, pero sí, generan cargas eléctricas como veremos más adelante.(fuente).

Celda solar fotovoltaica

Una de las aplicaciones más importantes de los fotones es el rayo láser, que tiene múltiples usos. Los fotones también se aplican en microscopios y en comunicaciones ópticas.

5. Recordando a las celdas solares.- 

Una célula fotoeléctrica, también llamada celda solar, célula solar, fotocélula o célula fotovoltaica, es un dispositivo electrónico que permite transformar la energía lumínica (fotones) en energía eléctrica (flujo de electrones libres) mediante el efecto fotoeléctrico, generando energía solar fotovoltaica.

Una celda fotovoltaica es un dispositivo electrónico que convierte la energía luminosa, la luz, en energía eléctrica. La celda fotovoltaica absorbe los fotones de la luz para liberar electrones que puede usar en una corriente eléctrica.

Los paneles solares no son más que varias celdas trabajando de forma conjunta para generar un mayor potencial eléctrico. Algunos paneles cuentan con 36 o más celdas.

PARA EXPLICAR LO DE SEMICONDUCTORES EN LAS CÉLULAS FOTOVOLTAICAS

Los enlaces entre los electrones hacen que sean fáciles, medios, difíciles o nulos de ser conductores entre elementos químicos.

5.1 Distinción entre Conductores y Semiconductores
Conductores.-

Aquellos materiales a través de los cuales la corriente de electrones viaja con relativa facilidad gracias a la propiedad de ceder o compartirlos desde sus últimas órbitas respectivas.[Oro, plata, aluminio y el cobre, los más usados como buenos conductores]. Sus electrones se desplazan fácilmente transmitiendo así la electricidad. Semiconductores.- Son los elementos poco conductores tal como el silicio (Si) y el germanio (Ge)  Sus electrones están muy fijados a su núcleo, por lo que es necesaria mayor energía para lograr una conductividad eléctrica.

Por ello, a estos semiconductores es necesario agregar otro tipo de material químico tal como el fósforo (P), antimonio (Sb) o arsénico (As), boro (B) o el galio (Ga) para convertirlos en material semiconductor de la electricidad.

Átomo

6. El Silicio

El comportamiento del silicio es un elemento semiconductor más utilizado para atrapar a los fotones de los rayos solares.

Un semiconductor se puede dopar para conseguir que tenga un exceso de electrones o un exceso de huecos, según esta disposición existen dos tipos de semiconductores.

Literalmente dopar significa administrar sustancias estimulantes para potenciar artificialmente el rendimiento. Añadir impurezas a un monocristal.

El Silicio es un elemento que al ser enfriado bajo una temperatura crítica (desde unos pocos grados hasta unos cientos de grados en superconductores de temperatura ambiente) se transforman en conductores perfectos.

Los semiconductores se utilizan para construir dispositivos como diodos, leds y transistores.

Un átomo de silicio tiene 14 electrones, dispuestos en tres niveles. Las primeras dos órbitas reúnen 2 y 8 electrones respectivamente – En la última órbita, nivel 3 es diferente, hay solo 4 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 vecinos. Es como si se dieran la mano entre amigos, entre átomos, se sostienen con la mano.

7. El dopaje

Cada átomo tiene cuatro manos, se unen con otras cuatro del vecino para completar los ocho electrones, de ahí otra razón para conocerse como material semiconductor.

Es un semiconductor que debe doparse para conseguir que tenga un exceso de electrones o un exceso de huecos dentro de las células solares fotovoltaicas.

Este semiconductor requiere ser dopado con elementos pentavalentes para lograr un exceso de electrones en la capa N de la célula o celda y también ser dopado con impurezas trivalentes en busca de un exceso de huecos, conocido tipo P en la capa P. (Mayor ilustración).

8. Conclusión

Eso es lo que forma la estructura cristalina del silicio, esto es lo que favorece a una célula para ser célula fotovoltaica, el ser semiconductor, el buscar electrones de los átomos vecinos.

El único problema es que el silicio cristalino puro es un mal conductor de la electricidad debido a que ninguno de sus electrones son libres de moverse, a diferencia de los electrones en los conductores mucho mejores como es el cobre. Una unión P-N es un límite o interfaz entre dos tipos de material semiconductor, de tipo P y de tipo N, en el interior de un único cristal de semiconductores.

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