¿Cómo funcionan las celdas fotovoltaicas?

Fundamentación

De navegar por páginas WEB y de la experiencia en la actividad profesional diaria, observo que la información disponible sobre el funcionamiento de dispositivos optoelectrónicos se encuentra en dos estados extremos: o con una rigurosidad académica extrema que la hace difícil y hasta casi imposible la interpretación por parte de un ingeniero o técnico, o bien información escrita demasiado superficial y a veces equivocada acerca de los principios de funcionamiento tanto de diodos LED como de celdas fotovoltaicas que son los dispositivos optoelectrónicos mas simples de uso cotidiano. Hay algunos videos muy buenos, pero se le complica al estudiante tomar información de ahí para sus trabajos.

Por esa razón aquí presento algo intermedio, una explicación simple en lenguaje llano, con poco formalismo, pero con rigurosidad en las afirmaciones. Está claro que el estudio cabal de este fenómeno es realmente complejo y requiere de conocimientos profundos de física, teoría de bandas en semiconductores, estructura atómica y otras ciencias, que exceden ampliamente los objetivos de este artículo.

Objetivos

Este artículo se escribió con los siguientes objetivos en mente:

• Ayudar al curioso que desea entender con un poco más de profundidad por qué al exponer una celda al sol se genera electricidad.
• Brindar una “punta de ovillo” a aquel estudiante que para que profundice más en textos especializados, y no sabe por dónde empezar.
• Desmitificar la física del semiconductor que, si bien es algo complejo, cualquiera puede al menos entenderla razonablemente, sin tener un doctorado en física.

¿Por qué este apunte se llama “para salita de 4”?

Es un nombre que le puse a una serie de artículos que escribí para mis alumnos hace mucho, y quedó el nombre, les resultó gracioso y atractivo para seguir leyendo. En una salita de niños de 4 años es donde más se preguntan cosas de fondo (todavía no adquirieron el miedo a preguntar) y es cuando se hace mas difícil explicar realidades con palabras simples. Debemos seguirnos preguntando ¿Por qué tal cosa? como cuando teníamos 4 años…

Las celdas fotovoltaicas se basan en material de sicilio

Cada celda de un panel fotovoltaico es un componente optoelectrónico, básicamente se trata de una juntura P-N en la cual la energía proveniente de la luz se transforma en energía eléctrica.
Para entender cómo funcionan las celdas, primero imaginemos un cristal de silicio. Este cristal está formado solo por átomos de silicio. Los átomos están formados por un núcleo hecho de protones y neutrones y alrededor del núcleo están los electrones. Todos los átomos tienen igual número de protones (carga positiva) que de electrones (carga negativa). La estructura atómica es mucho más compleja, pero para esta explicación alcanza con semejante simplificación. Los electrones están alrededor del núcleo en lo que denominamos orbitales. Cabe aclarar que el nombre es confuso, ya que dichos orbitales son volúmenes donde hay alta probabilidad de encontrar a los electrones (no es una órbita como la de la tierra alrededor del sol que es predecible donde va a estar en cada momento). Los átomos como el silicio tienen varios orbitales, pero para entender las celdas fotovoltaicas solo nos interesa el más externo de todos que es el denominado orbital de valencia. El silicio tiene 4 electrones en su orbital de valencia. Pero al silicio como a muchos otros átomos les pasa algo muy particular: tienen 4 electrones de valencia, pero les gustaría tener ocho. Serían muy felices con 8 electrones de valencia (regla del octeto de Lewis).

Cuando los átomos de silicio se reúnen en un cristal de silicio, encuentran el beneficio de vivir en comunidad, y deciden compartir uno de sus electrones de valencia con cada vecino y el vecino hace lo mismo (enlaces covalentes). Si comparte uno con cada vecino y tiene cuatro vecinos, logran su estado más feliz. Cada átomo siente que tiene ocho electrones de valencia. Y así podrían estar eternamente. Es una sociedad perfecta, todos tienen lo que desean. Pero como toda sociedad perfecta, nada sucede, nada cambia, en definitiva, nada pasa en un cristal por si solo…

Entonces a un científico loco se le ocurrió una idea: contaminar ese cristal de silicio puro con algunos otros átomos, solo muy poquitos. Uno de otro material cada decenas o centenas de miles de átomos de silicio (a este proceso se le llama dopado). Lo hace con átomos como los de fósforo que tienen cinco electrones en su orbital de valencia. Los átomos de silicio que rodean al fósforo le dicen: ché fósforo vos tenés 5 electrones de valencia, mirá que en esta sociedad todos tenemos 4, pensalo bien somos 10000 a uno… Y el fósforo se da cuenta que lo mejor que puede hacer es desprenderse de un electrón, y mirando para otro lado dice: ya está, ahora tengo 4 como ustedes!!

También obtiene un beneficio adicional: si se quedó con 4 electrones de valencia y comparte uno con los vecinos, al fin tiene 8, que también es su anhelo!. Ese electrón que dejó libre el átomo de fósforo queda deambulando por el cristal. Nuevamente estamos en el caso de una sociedad perfecta, donde nada puede pasar, ahora con el agregado de un electrón libre por cada átomo de fósforo. Pero nada interesante. A esta zona contaminada con átomos de 5 valencias se la denomina ZONA TIPO N.

Ahí es donde el mismo científico loco tiene otra ocurrencia, contamina otra parte del mismo cristal con átomos de boro (también poquitos), el boro tiene tres electrones en su orbital de valencia. Cuando los átomos de silicio notan este átomo que le falta un electrón, lo primero que hacen es prestarle uno, el átomo de boro feliz de la vida que ahora tiene 4 electrones de valencia y puede hacer lo que el resto del cristal, sentir que tiene 8.

Pero los átomos de silicio son solidarios y en cuanto ven al que le prestó su electrón (y por ende quedó solo con tres) lo primero que hacen es prestarle uno propio. Los demás átomos hacen lo mismo y se van prestando uno, pero siempre queda un agujero (hole en inglés) que parece estar deambulando por el cristal. Pasa lo mismo que con el electrón libre del caso anterior, este agujero (o falta de electrón) parece moverse de un lado para otro. En textos de habla hispana a este agujero o hole se lo denomina “laguna”, término que no puse al principio porque no es muy representativo de la situación real. A esta zona contaminada con átomos de 3 valencias se la denomina ZONA TIPO P

¿Qué pasa en las zonas donde se juntan las zonas tipo N y P?

Cuando los electrones que están deambulado por la zona N ven que en la zona P hay agujeros para llenar, se tiran de cabeza para llenar estos agujeros y se produce una corriente eléctrica. La corriente eléctrica no es otra cosa que la circulación de electrones en un sentido definido (van todos de la zona N a la P). Pero esto no dura mucho, en cuestión de microsegundos ya no pasa nada ¿Por qué? Porque cuando un electrón del lado N llena un agujero del lado P, el átomo de boro que tenía 3 electrones (y 3 protones) queda con 4 electrones y sigue teniendo 3 protones por lo que queda con carga negativa. Y la carga negativa repele a los electrones. A su vez el electrón que estaba deambulado por la zona N ya no está y como todos los átomos tienen igual número de protones que de electrones, por cada uno que pasa del otro lado, el lado N queda con una carga positiva adicional.

Por lo tanto, una vez que se completaron las primeras filas y los electrones del lado N llenaron los agujeros de las primeras filas del otro lado (si llenaron los agujeros, ya no son electrones libres) y ningún electrón más puede pasar para el otro lado porque la carga negativa lo repele, se forma una zona “vacía de electrones libres” o zona de depleción como se le llama en la jerga de los semiconductores. El lado N se queda cargas positivas cerca la juntura y el lado P con cargas negativas. Este potencial eléctrico interno de la juntura es lo que se llama barrera de potencial.

Hasta acá y para aquellos lectores que son del mundo de la electrónica dirán que esta es la explicación del diodo. ¡Y están en lo cierto! Una celda de panel fotovoltaico no es otra cosa que un diodo. Solo que un diodo con una juntura tan grande como la celda es decir del orden de varios cm², mientras que en un diodo rectificador común es de solo algunos mm²

¿Cómo hace un diodo para generar electricidad?

Acá para ser riguroso tendría que recurrir a teoría de bandas en semiconductores y física cuántica para justificar la utilización de bosones como es el fotón, pero para seguir alineado con la explicación en leguaje llano haré esta simplificación: Lo que observamos como luz es el resultado del desprendimiento de energía del cuerpo emisor. Por ejemplo, el sol o una lamparita se desprende de energía emitiendo fotones. Los fotones son como bolsitas que contienen energía y una cantidad exacta e igual cada una, esto se conoce como “cuanto de energía”, (de ahí lo de física cuántica). Dependiendo del color de la luz cada fotón (bolsita de energía) contendrá más o menos energía, los fotones rojos menos energía y los violetas más energía por bolsita. Los fotones interactúan con los electrones. Sabemos que “los electrones son haraganes”, siempre quieren estar en el nivel más bajo de energía posible. Si a un electrón  impacta un fotón que tiene más de cierta energía, absorbe la energía del fotón (toda la bolsita de energía). Pero siempre se las rebuscará para sacarse de encima esa energía y volver a su estado de mínima energía.

Si se expone la juntura P-N a la luz, los fotones interactuarán con los electrones, en particular los de la zona de depleción. Cuando un fotón con energía suficiente impacta en un electrón de esta zona, éste absorbe su energía y tiene tanta que le alcanza para salir de su átomo y se va a buscar donde sacarse de encima esa cantidad de energía, esto se conoce como efecto fotovoltaico. Entonces ese electrón que ahora tiene más energía se ve atraído por el potencial positivo de la zona N generando cargas eléctricas negativas que se acumulan en esa región. Este es el polo negativo de la celda. Los agujeros que dejan los electrones impactados por fotones, y que se fueron a la zona N, los llenan electrones de la misma zona de depleción y el agujero (laguna) se va desplazando hasta que arriba a la zona P donde se acumulan lagunas y es la placa positiva de la celda. Cabe aclarar que los electrones que se soltaron por el impacto de los fotones solo pueden elegir el camino por el circuito externo para recombinarse en el lado P (el camino de la lamparita en el dibujo). No pueden pasar al lado P directamente por que la barrera de potencial se lo impide (recordemos que las primeras filas de átomos del lado P tienen carga negativa y eso repele a los electrones)  

Si a los electrones que se acumulan en la placa negativa de la celda (que tienen más energía que la necesaria para ser electrones de valencia porque la absorbieron del fotón), se les da un camino para recombinarse en el lado P, lo hacen y como siempre quieren tener la menor energía posible, entregan esa energía donde pueden, es decir en la carga que alimenta esta celda (la lamparita que brilla en el gráfico de arriba). Mientras haya fotones (luz) este proceso puede seguir eternamente ya que es un ciclo cerrado.

Nota importante: los electrones con patitas y que caminan por el conductor son solo una simplificación a nivel didáctico. El proceso de conducción dentro de un cable es muchísimo más complejo que imaginar un electrón que se desplaza. Pero esta gráfica al menos explica en modo amigable como es que la luz se transforma en electricidad. También se observa que la electricidad fluye de negativo a positivo, lo cual es cierto. La circulación de positivo a negativo se estableció como convención antes de saber cómo era el proceso físico real. Quedó y sigue en uso para los electricistas, pero la física dice que no es el sentido correcto de circulación.

En definitiva, una celda solar es un diodo gigante. Y por esa razón los diodos rectificadores son negros y opacos, para que no les entre la luz, si fueran de vidrio el funcionamiento sería distinto cuando reciben luz.

Bonus del artículo, el LED

Un LED es EXACTAMENTE IGUAL a una celda fotovoltaica en su funcionamiento solo que en vez de generar electricidad cuando reciben luz, generan luz cuando circula corriente, es un fenómeno reversible. En el caso de un LED, los electrones que abundan en el lado N se los hace pasar al lado P aplicando una tensión tal que reduzca la barrera de potencial. Como los electrones del lado N (de conducción) son más energéticos que los de valencia del lado P, para pasar de un lado a otro deben deshacerse de la energía, y como todo electrón que se deshace de energía produce una bolsita de energía es decir un fotón (luz).

Para los más curiosos: Una lámpara (incandescente) produce luz si le aplico electricidad, pero no produce electricidad si le aplico luz. En termodinámica se dice que es un proceso irreversible e indefectiblemente aumenta la entropía del universo. Un LED (perfecto) no aumenta la entropía del universo porque convierte energía eléctrica en luz sin pasar por calor. Como es un proceso reversible… ¿se generará electricidad si alumbro un LED?… hagan el experimento de iluminar un LED con una linterna y medir su voltaje con un tester, si nunca lo hicieron se sorprenderán.