El efecto fotovoltaico es la generación de voltaje y corriente eléctrica en un material al exponerse a la luz . Es un fenómeno físico y químico . [1]
El efecto fotovoltaico está estrechamente relacionado con el efecto fotoeléctrico . Para ambos fenómenos, la luz se absorbe, provocando la excitación de un electrón u otro portador de carga a un estado de mayor energía. La principal distinción es que el término efecto fotoeléctrico ahora se usa generalmente cuando el electrón es expulsado del material (generalmente al vacío) y el efecto fotovoltaico se usa cuando el portador de carga excitado todavía está contenido dentro del material. En cualquier caso, un potencial eléctrico(o voltaje) se produce por la separación de cargas, y la luz debe tener suficiente energía para superar la barrera potencial de 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 "portadores calientes" desdibujan esta distinción.
La primera demostración del efecto fotovoltaico, realizada por Edmond Becquerel en 1839, utilizó una celda electroquímica. Explicó su descubrimiento en Comptes rendus de l'Académie des sciences , "la producción de una corriente eléctrica cuando dos placas de platino u oro sumergidas en una solución ácida, neutra o alcalina se exponen de manera desigual a la radiación solar". [2]
La primera celda solar, que consta de 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 familiar 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 estar excitados, saltan a la banda de conducción y quedan libres. Estos electrones excitados se difunden y algunos alcanzan la unión rectificadora (generalmente una unión pn de diodo ) donde son acelerados hacia el material semiconductor tipo n por el potencial incorporado ( potencial de Galvani ). Esto genera una fuerza electromotriz y una corriente eléctrica y, por lo tanto, parte de la energía luminosa 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 directa de los electrones libres, puede surgir un efecto fotovoltaico simplemente debido al calentamiento causado por la absorción de la luz. El calentamiento conduce a un aumento de la temperatura del material semiconductor, que se acompaña de gradientes de temperatura. Estos gradientes térmicos, a su vez, pueden generar un voltaje a través del efecto Seebeck . Si la excitación directa o los efectos térmicos dominan, el efecto fotovoltaico dependerá de muchos parámetros del material.
Todos los efectos anteriores generan corriente continua, la primera demostración del efecto fotovoltaico de corriente alterna (AC PV) fue realizada por el Dr. Haiyang Zou y el profesor Zhong Lin Wang en el Instituto de Tecnología de Georgia en 2017. El efecto AC 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. [4] El efecto AC 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 AC PV es el resultado del cambio relativo y la realineación entre los niveles de cuasi-Fermi de los semiconductores adyacentes a la unión / interfaz en las condiciones de no equilibrio. El flujo de electrones en el circuito externo va y viene para equilibrar la diferencia de potencial entre dos electrodos. La célula solar orgánica, cuyos materiales no tienen una concentración inicial de portador, no tiene el efecto AC PV.
En la mayoría de las aplicaciones fotovoltaicas, la radiación es la luz solar y los dispositivos se denominan células solares . En el caso de una celda solar semiconductora de unión pn (diodo), la iluminación del material crea una corriente eléctrica porque los electrones excitados y los orificios restantes son barridos en diferentes direcciones por el campo eléctrico incorporado de la región de agotamiento. [5] la CA PV funciona en condiciones de no equilibrio. El primer estudio se basó en una nanofilm de p-Si / TiO2. Se encuentra que, a excepción de la salida de CC generada por el efecto fotovoltaico convencional basado en una unión pn, también se produce corriente CA cuando se ilumina una luz intermitente en la interfaz. El efecto AC PV no sigue la ley de Ohm, ya que se basa en el modelo capacitivo de que la corriente depende en gran medida de la frecuencia del chopper, pero el voltaje es independiente de la frecuencia. La corriente máxima de CA a alta frecuencia de conmutación puede ser mucho mayor que la de CC. La magnitud de la salida también está asociada con la absorción de luz de los materiales.
Ver también
Referencias
- ^ "Células solares - enciclopedia de química - estructura, metal, ecuación, la unión pn" . www.chemistryexplained.com .
- ^ Palz, Wolfgang (2010). Poder para el mundo: el surgimiento de la electricidad del sol . Bélgica: Pan Stanford Publishing. pag. 6. ISBN 9789814303385.
- ^ Guarnieri, M. (2015). "Más luz sobre la información". Revista de electrónica industrial IEEE . 9 (4): 58–61. doi : 10.1109 / MIE.2015.2485182 . S2CID 13343534 .
- ^ Zou, Haiyang; Dai, Guozhang; Wang, Aurelia Chi; Li, Xiaogan; Zhang, Steven L .; Ding, Wenbo; Zhang, Lei; Zhang, Ying; Wang, Zhong Lin (3 de febrero de 2020). "Efecto fotovoltaico de corriente alterna" . Materiales avanzados . 32 (11): 1907249. doi : 10.1002 / adma.201907249 . ISSN 0935-9648 . PMID 32009275 .
- ^ El efecto fotovoltaico . Scienzagiovane.unibo.it (1 de diciembre de 2006). Consultado el 12 de diciembre de 2010.