Efecto Fotovoltaico. Células solares

Los fotones que transportan la energía en la radiación luminosa son capaces de convertirse en dos partículas cargadas (electrón y positrón) al entrar en contacto con sustancias semiconductoras. La circulación de dichos electrones origina electricidad.

Para comprobar los principios físicos en los que se basa el efecto fotovoltaico podemos comprar una célula solar (también llamada célula fotovoltaica) en una tienda de electrónica, ver la que tiene una calculadora solar o tratar de fabricar una menos sofisticada y con mucha menos eficacia, pero con el encanto de que la fabricamos nosotros.

En nuestro Centro tenemos una célula solar para usar con finalidades didácticas. La exponemos al Sol y la conectamos como alimentación de una calculadora, para encender una bombilla, etc

Teoría de su funcionamiento

Dos semiconductores p y n, que han sido dopados con impurezas para hacerlos de tipo P y de tipo N, tienen electrones libres y dadores fijos, en igual cantidad y de igual carga, que hacen que su carga total sea neutra ya que los átomos de las impurezas son neutros y los del semiconductor también.

Al poner en contacto dos semiconductores p y n, en la unión p-n los electrones libres de la zona n se difunden hacia la zona p en la que hay menos electrones. Esto origina una carga desigual a los dos lados de la unión que da lugar a un campo con un potencial de contacto que polarizar la zona de unión e impide que prosiga la difusión.... salvo que nosotros le ayudemos.

Nota. Se podría pensar que la diferencia de potencial que se origina en la zona de la unión es semejante a la de una batería y que solamente con unir los otros extremos a un cable circularía la corriente permanentemente y tendríamos una fuente inagotable de corriente: ¡Saltándonos el segundo principio de la Termodinámica!. Desgraciadamente esto no es posible porque al conectar los cables externos a los semiconductores se producen dos nuevas juntas que originan también diferencias de potencial que neutralizan el efecto de la unión p-n. Si una de estas juntas está a diferente temperatura de la otra, circulará corriente eléctrica. Este es el efecto responsable del funcionamiento de los termopares.

Podemos conseguir que los electrones sigan circulando conectando una pila con la polaridad adecuada, de modo que anule ese campo en la zona de unión, y también iluminando la unión con fotones. Esto último es lo que vamos a hacer nosotros.

Cuando los fotones de la luz chocan con el semiconductor y desaparecen (se transforman), producen dos partículas: un electrón y un positrón. El campo eléctrico de la junta conduce el electrón a la parte n y el hueco a la p, con lo que esa zona se despolariza y puede proseguir la circulación de electrones siempre que mantengamos iluminada la unión y unidos los extremos a un circuito externo.

¡Hemos convertido energía luminosa en energía eléctrica! ¡Tenemos una célula solar!

Actualmente existen muchos aparatos eléctricos en la Tierra y en el espacio que funcionan con electricidad obtenida por este sistema.

Aunque para las células solares no importa la miniaturización, vamos a recordar como ha evolucionado el tamaño a lo largo de los últimos 30 años. Para una célula fotovoltaica el tamaño de la unión p-n debe ser grande, para así aumentar la superficie de captación y la eficacia de la absorción.

El primer transistor
En 1947, John Bardeen y Walter Brattain que trabajaban en los laboratorios de la Bell Telephone, estudiando el comportamiento de los electrones en la interface entre un metal y un semiconductor, descubrieron el transistor de puntas. Recibieron por ello el Premio Nobel de Física en 1956.

El transistor sustituyó rápidamente a las lámparas triodo y se usó como un componente amplificador de señal.

Un transistor contiene un material semiconductor, normalmente silicio, que puede cambiar su estado eléctrico. En su estado normal el semiconductor no es conductivo, pero cuando se le aplica un determinado voltaje se convierte en conductivo y la corriente eléctrica fluye a través de éste, funcionando como un interruptor electrónico.

El primer transistor era muy voluminoso pero actualmente (2003) en un "chip" de unos pocos cm² se emplean un millón de transistores.

Para nuestra práctica hemos conseguido un transistor que en realidad es pequeñísimo para nuestros fines (es de menos de 1 mm²), pero es enorme para los chips actuales. Es de hace unos 20 años y con él hemos hecho nuestra célula solar.