Celda Solar De Estaño

I. INTRODUCCIÓN

Las Fotoceldas son pequeños dispositivos que producen una variación eléctrica en respuesta a un cambio en la intensidad de la luz. Las fotoceldas se clasifican como fotovoltaicas (Laidler – Meiser 1997) (Rodgers 1995) (Skoog et al 2001) o celdas solares y fotoconductivas (Cicardo 1951) (Sears et al 1999).

Una celda fotovoltaica es una fuente de energía cuyo voltaje de salida varía en relación con la intensidad de la luz en superficie. Una celda fotoconductiva es un dispositivo pasivo, incapaz de producir energía. Su resistencia varía en relación con la intensidad de la luz en su superficie (Cicardo 1951) (Sears et al 1999) (Smart – Moore 1995).

Actualmente el producto más conocido de la energía solar son las fotoceldas (celdas solares, celdas fotovoltaicas o células fotovoltaicas). La ventaja principal de su uso es su producción de energía constante, su larga vida y su mínimo mantenimiento (Sears et al 1999).

Las celdas solares están basadas en el efecto fotovoltaico que consiste en la conversión directa de luz en electricidad a nivel atómico (Rau 1984). Algunos materiales presentan la propiedad conocida como efecto fotovoltaico que hace que absorban fotones de luz y emitan electrones tras la creación de pares electrón-hueco. Los pares que se crean en la unión p-n o suficientemente cerca para migrar a ésta sin recombinarse; cuando estos electrones libres son capturados en el lado n y los huecos en el lado p, el resultado es una corriente eléctrica que puede ser utilizada como electricidad. El dispositivo conectado a un circuito externo, constituye una fuente de fem y potencia; no requiere de luz solar, cualquier luz con energía en sus fotones mayor que la banda prohibida del material semiconductor será adecuada (Chang 1992) (Laidler – Meiser 1997) (Sears et al 1999) (Smart – Moore 1995).

Es importante distinguir entre efecto fotovoltaico y efecto fotoeléctrico, éste fue descubierto por Heinrich R. Hertz, en 1887 (Babor – Ibarz 1979) (Pauling 1971) (Sears et al 1999). Cuando incide luz sobre el metal, un electrón absorbe la energía h de un fotón que choca contra él y se desprende, saliendo expulsado. Así, ciertos materiales producen pequeñas cantidades de corriente eléctrica cuando son expuestos a la luz (Atkins 1991) (Levine 1981) (Strobel 1979). En 1905, Albert Einstein describió la naturaleza de la luz y el efecto fotoeléctrico (Babor – Ibarz 1979) (Castellan 1976) (Levine 1981) (Pauling 1971), en el cual está basada la tecnología de fototubos al vacío (Sears et al 1999) (Skoog et al 2001) o tubos fotoemisores (Willard et al 1991). Por este trabajo, se le otorgó en 1921 el premio Nobel de física (Cicardo 1951).

El primer módulo fotovoltaico fue construido en los Laboratorios Bell en 1954 (Rau 1984). Fue descrito como una batería solar y era más que nada una curiosidad, ya que resultaba demasiado costoso como para justificar su utilización a gran escala. En la década de los 60’s -iniciando la tendencia a la miniaturización de los dispositivos electrónicos (MDE) (Shackelford 1995) con la integración a pequeña escala (SSI)- la industria espacial comenzó por primera vez a hacer uso de esta tecnología para proveer la energía eléctrica a bordo de las naves espaciales. A través de los programas espaciales, la tecnología avanzó, alcanzó un alto grado de confiabilidad y se redujo su costo. Durante la crisis de energía en la década de los 70’s – continuando con la tendencia MDE con la integración a mediana escala (MSI)-, la tecnología fotovoltaica empezó a ganar reconocimiento como una fuente de energía para aplicaciones no relacionadas con el espacio (Rodgers 1995) (Sears et al 1999).

Las celdas solares están hechas de la misma clase de materiales semiconductores, tales como el silicio, que se usan en la industria microelectrónica. Para las celdas solares, una delgada rejilla semiconductora es especialmente tratada para formar un campo eléctrico, positivo en un lado y negativo en el otro (Rau 1984) (Sears et al 1999) (Skoog et al 2001). Cuando la energía luminosa llega hasta la celda solar, los electrones son golpeados y sacados de los átomos del material semiconductor (Smart – Moore 1995). Si ponemos conductores eléctricos tanto del lado positivo como del negativo de la rejilla, formando un circuito eléctrico, los electrones pueden ser capturados en forma de una corriente eléctrica—es decir, en electricidad. La electricidad puede entonces ser usada para suministrar potencia a una carga, por ejemplo para encender una luz o energizar una herramienta.

Un arreglo de varias celdas solares conectadas eléctricamente unas con otras y montadas en una estructura de apoyo o un marco, se llama módulo fotovoltaico. Los módulos están diseñados para proveer un cierto nivel de voltaje, como por ejemplo el de un sistema común de 12 voltios. La corriente producida depende directamente de cuánta luz llega hasta el módulo.

Varios módulos pueden ser conectados unos con otros para formar un arreglo. En general, cuanto más grande es el área de un módulo o arreglo, más electricidad será producida. Los módulos y arreglos fotovoltaicos producen corriente directa (CC). Estos arreglos pueden ser conectados tanto en serie como en paralelo para producir cualquier cantidad de voltaje o corriente que se requiera.

Hoy en día, los dispositivos fotovoltaicos (FV) más comunes usan una sola juntura o interfase para crear un campo eléctrico dentro de un semiconductor, como por ejemplo una celda FV. En una celda FV de una sola juntura, solamente aquellos fotones cuya energía sea igual o mayor a la del espacio interbanda (Eg) (Levine 1981) del material de la celda, pueden liberar un electrón para ser usado en un circuito eléctrico. En otras palabras, la reacción fotovoltaica de las celdas de una sola juntura está limitada a la porción del espectro solar cuya energía esté por encima del espacio interbanda del material absorbente, y por tanto aquellos fotones con energías más bajas no son utilizados.

Una manera de sortear esta limitación es usando dos (o más) celdas diferentes, con más de un espacio de banda y más de una juntura, para generar un voltaje. Este tipo de celdas son conocidas como celdas “multijuntura” (también llamadas celdas “de cascada” o “tandem”). Los dispositivos multijuntura pueden lograr una mayor eficiencia de conversión total porque pueden convertir una fracción más grande del espectro luminoso en electricidad.

Un dispositivo multijuntura es un conjunto de celdas individuales de una sola juntura, colocadas en orden descendente de acuerdo a su espacio de banda (Eg). La celda más alta captura los fotones de alta energía y deja pasar el resto de los fotones hacia abajo para ser absorbidos por las celdas con espacios de bandas más bajos.

Muchas de las investigaciones que se realizan en la actualidad sobre celdas multijuntura están enfocadas al uso del arseniuro de galio en uno (o en todos) de los componentes de las celdas (Rau 1984) (Smart – Moore 1995). Tales celdas han alcanzado eficiencias de alrededor del 35% bajo luz solar concentrada. Otros materiales estudiados para su uso en dispositivos multijuntura son por ejemplo, el silicio amorfo y el diseleniuro de indio con cobre.

Un ejemplo de dispositivo multijuntura es el que utiliza una celda superior de fosfato de indio con galio, una juntura “de túnel” para facilitar el flujo de electrones entre las celdas, y una celda inferior de arseniuro de galio.

Con la información científica y tecnológica disponible actualmente, de la que se ha hecho algunas anotaciones previas; a continuación se expone los fundamentos del trabajo realizado:

1. Las celdas fotovoltaicas se construyen en base a materiales semiconductores elementales intrínsecos como son los elementos Si y Ge (grupo IVA de la tabla periódica) (Levine 1981). También se utilizan semiconductores extrínsecos o dopados (Chang 1992) (Huheey 1981) (Shackelford 1995).

2. Los elementos semiconductores tienen bandas llenas que se encuentran ligeramente por debajo de las bandas vacías y no se superponen a ellas. No conducen la electricidad a bajas temperaturas, pero un pequeño aumento de temperatura promueve electrones a la banda de conducción vacía (Whitten et al 1992).

3. Los metales conducen la electricidad debido a que no existe separación entre las bandas de valencia y conducción o porque existe superposición parcial de tales bandas (Whitten et al 1992); sin embargo la conducción disminuye cuando la temperatura aumenta, debido a que se acentúa la vibración de los átomos (Chang 1992).

4. El estaño y el plomo son los únicos elementos metálicos del grupo IVA. Hay tres formas alotrópicas del estaño. El estaño gris a los 13°C se convierte en estaño blanco, éste a 161°C se transforma a -estaño (Chang 1992).

5. El estaño es un semiconductor elemental intríseco como el silicio Eg 1,2 eV y germanio Eg 0,7 eV (Levine 1981) y como éstos, tiene un valor pequeño de Eg (Shackelford 1995) 0,08 eV para estaño gris (Levine 1981).

6. Estos fundamentos sirvieron de sustento para el diseño y construcción de una celda solar en base al “metal – semiconductor” estaño. Tal trabajo experimental inédito, se desarrolló el año 2002, en el Laboratorio de Análisis Instrumental, Sección de Química e Instrumentación, Departamento Bioquímica, Facultad de Farmacia y Bioquímica. Desde entonces, la celda solar ha sido utilizada en las demostraciones magistrales sobre “DETECTORES DE FOTONES” y “APLICACIÓN DE LOS AMPLIFICADORES OPERACIONALES EN LOS DVM Y DMM”, para evidenciar la dependencia de la respuesta de la celda solar a la intensidad de luz en el aula

...