El efecto fotovoltaico es la generación de voltaje y corriente eléctrica en un material al exponerse a la luz . Es un fenómeno físico . [1]
El efecto fotovoltaico está estrechamente relacionado con el efecto fotoeléctrico . En ambos fenómenos, la luz se absorbe, lo que provoca 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 efecto fotovoltaico se usa cuando el portador de carga excitado todavía está contenido dentro del material. En cualquier caso, se produce un potencial eléctrico (o voltaje) por la separación de cargas, y la luz debe tener suficiente energía para superar la barrera de potencial para la 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 forma desigual a la radiación solar". [2]
La primera célula solar, compuesta por una capa de selenio recubierta por 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 ser excitados, saltan a la banda de conducción y quedan libres. Estos electrones excitados se difunden y algunos alcanzan la unión rectificadora (generalmente una unión p-n 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, por lo que parte de la energía luminosa se convierte en energía eléctrica. El efecto fotovoltaico también puede ocurrir cuando se absorben dos fotones simultáneamente en un proceso llamado efecto fotovoltaico de dos fotones .
Además de la excitación fotovoltaica directa de los electrones libres, también puede generarse una corriente eléctrica mediante el efecto Seebeck . Cuando un material conductor o semiconductor se calienta mediante la absorción de radiación electromagnética, el calentamiento puede provocar mayores gradientes de temperatura en el material semiconductor o diferencias entre materiales. Estas diferencias térmicas, a su vez, pueden generar un voltaje porque los niveles de energía de los electrones se desplazan de manera diferente en diferentes áreas, creando una diferencia de potencial entre esas áreas que a su vez crea una corriente eléctrica. Las contribuciones relativas del efecto fotovoltaico frente al efecto Seebeck dependen de muchas características de los materiales que lo componen. [ cita necesaria ]
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 Prof. Zhong Lin Wang en el Instituto de Tecnología de Georgia en 2017. El efecto AC PV es la generación de Corriente alterna (CA) en estados de desequilibrio cuando la luz brilla periódicamente en la unión o interfaz del material. [5] El efecto AC PV se basa en el modelo capacitivo en el que la corriente depende en gran medida de la frecuencia del interruptor. Se sugiere que el efecto AC PV es el resultado del cambio relativo y la realineación entre los niveles cuasi-Fermi de los semiconductores adyacentes a la unión/interfaz en condiciones de no equilibrio. Los electrones fluyen en el circuito externo de un lado a otro 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 fotovoltaico AC.
El rendimiento de un módulo fotovoltaico depende de las condiciones ambientales, principalmente de la irradiancia incidente global G en el plano del módulo. Sin embargo, la temperatura T de la unión p-n también influye en los principales parámetros eléctricos: la corriente de cortocircuito ISC, la tensión de circuito abierto VOC y la potencia máxima Pmax. Los primeros estudios sobre el comportamiento de las células fotovoltaicas bajo diferentes condiciones de G y T se remontan a hace varias décadas.1-4 En general, se sabe que los VOC muestran una correlación inversa significativa con la T, mientras que para las ISC esa correlación es directa, pero más débil, de modo que este incremento no compensa la disminución de COV. Como consecuencia, Pmax se reduce cuando T aumenta. Esta correlación entre la potencia de salida de una célula solar y la temperatura de trabajo de su unión depende del material semiconductor,2 y se debe a la influencia de T en la concentración, vida útil y movilidad de los portadores intrínsecos, es decir, electrones y huecos. , dentro de la celda fotovoltaica.
La sensibilidad a la temperatura suele describirse mediante algunos coeficientes de temperatura, expresando cada uno la derivada del parámetro al que se refiere con respecto a la temperatura de la unión. Los valores de estos parámetros se pueden encontrar en la ficha técnica de cualquier módulo fotovoltaico; son los siguientes:
– β Coeficiente de variación de VOC respecto a T, dado por ∂VOC/∂T.
– α Coeficiente de variación del ISC respecto de T, dado por ∂ISC/∂T.
– δ Coeficiente de variación de Pmax respecto de T, dado por ∂Pmax/∂T.
En la literatura se pueden encontrar técnicas para estimar estos coeficientes a partir de datos experimentales. [6] Pocos estudios analizan la variación de la resistencia en serie con respecto a la temperatura de la celda o módulo. Esta dependencia se estudia procesando adecuadamente la curva corriente-tensión. El coeficiente de temperatura de la resistencia en serie se estima utilizando el modelo de diodo único o el de diodo doble. [7]
En la mayoría de aplicaciones fotovoltaicas la radiación es luz solar y los dispositivos se denominan células solares . En el caso de una célula solar de unión p-n (diodo) semiconductor, la iluminación del material crea una corriente eléctrica porque los electrones excitados y los huecos restantes son barridos en diferentes direcciones por el campo eléctrico incorporado de la región de agotamiento. [8]
El AC PV funciona en condiciones de no equilibrio. El primer estudio se basó en una nanopelícula de p-Si/TiO 2 . Se encuentra que, a excepción de la salida de CC generada por el efecto fotovoltaico convencional basado en la unión ap-n, también se produce corriente CA cuando se enciende 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 fuertemente de la frecuencia del interruptor, 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 producción también está asociada con la absorción de luz de los materiales.