Funcionamiento y Estructura de la Célula Fotovoltaica de Silicio

1. La Célula Fotovoltaica

El tipo de célula fotovoltaica, también denominada célula fotoeléctrica o célula solar, más común es la célula de silicio cristalino. El silicio es un material semiconductor. Sus propiedades de conductividad eléctrica están situadas a medio camino entre los materiales conductores y aislantes.

Los átomos están formados, como sabemos, por un núcleo constituido por protones y neutrones.

La configuración más estable del átomo es aquella en la que la capa u órbita de valencia posee 8 electrones. Es esta la configuración que caracteriza a los gases nobles (el argón, el neón, el xenón, entre otros), así llamados porque no se combinan con otros átomos. El resto de los átomos se combinan entre sí compartiendo o cediendo electrones para aproximarse a dichas configuraciones.

2. Configuraciones de los Materiales Semiconductores

Los átomos de silicio tienen cuatro electrones en su órbita de valencia, electrones que forman una red cristalina con otros átomos de silicio tal como muestra la figura. Los átomos comparten cada uno de sus cuatro electrones con los demás átomos que los rodean, formando poderosos enlaces que mantienen unida la estructura. Al compartir dichos electrones con sus cuatro átomos vecinos, el átomo de silicio adquiere su configuración de gas noble.

Cuando los electrones se liberan del enlace, el electrón puede entonces moverse libremente por la red cristalina. Macroscópicamente, esa libertad de movimiento de algunos electrones se representa en una variable del semiconductor conocida como conductividad intrínseca.

En la red cristalina se forma entonces una unión PN con dos regiones separadas. En esta unión, los electrones extra que hay en la región N se difunden en la región P, dejando en esta a su vez un exceso de huecos o cargas positivas. Al formar parte de una red cristalina, los electrones no se pueden mover libremente para recombinarse y se establece un campo eléctrico, una diferencia de potencial entre ambas regiones.

En ese momento se dice que la unión está bloqueada.

3. El Efecto Fotoeléctrico

Al exponer la unión PN a la luz del sol, los electrones de la red absorben los fotones. La energía que aportan estos fotones rompe enlaces y forma nuevos pares electrón-hueco; el campo eléctrico de la unión hace que los electrones migren hacia la región N y los huecos hacia la región P. A este proceso se le denomina efecto fotoeléctrico.

4. Fabricación de la Célula Fotovoltaica

La célula fotovoltaica suele estar formada por dos capas semiconductoras. La capa sobre la que incide la luz solar es de tipo N, dopada generalmente con fósforo; la capa inferior es de tipo P, dopada con boro. Para poder extraer la energía generada por la luz solar en la célula, es preciso conectarla eléctricamente. En la capa inferior se introduce generalmente una capa conductora de plata o aluminio. La capa superior debe dejar pasar la luz del sol.