Saludos mis estimados amigos de la comunidad científica #stem-espanol
En las recientes publicaciones he puesto énfasis en diferenciar los diferentes tipos de interacción de la luz con la materia, entendiendo que, en mi caso particular, me refiero a la irradiancia solar simulada con una lámpara de tungsteno o un diodo de luz blanca como fuente de radiación y los materiales semiconductores que unidos por procedimientos físicos o químicos van a formar la unión p-n, que en definitiva se convertiría en el dispositivo optoelectrónico que estoy fabricando como prototipo de celda solar.
En esta área de la Física del Estado Sólido o Física de la Materia Condensada lo que buscamos es desarrollar un material sólido semiconductor cuyo sistema cristalino permita la unión con otro semiconductor cuyo acoplamiento de estructuras sea lo menos "traumática" para evitar el desajuste entre el material absorbente, cuya conductividad eléctrica sea tipo p (dominada por una concentración alta de huecos) y el material ventana tipo n, lo que permitiría que los mecanismos de conducción eléctrica se activaran fácilmente al incidir un haz de luz con el paquete de fotones que darían inicio al Efecto Fotovoltaico en este tipo de dispositivo. Existirá un exceso de los portadores de carga que fluirán hacia el lado n (electrones) y hacia el lado p (huecos) debido a la generación de la interacción del par electrón-hueco.
Los elementos esenciales para la reconversión de energía luminosa en energía eléctrica es la generación de una potencia eléctrica a partir de 2 variables: voltaje y corriente eléctrica, los que guardan relación directa con la intensidad de la radiación luminosa que incide sobre la superficie de la unión p-n.
En el video podemos observar que en ausencia de iluminación el voltaje es 0,02 V, mientras que al hacer incidir la radiación solar aumenta hasta 0,22 V, es decir que se incrementa en 1 orden de magnitud, con la particularidad que no estamos pasando corriente a través del circuito eléctrico formado por la celda y el voltímetro. Este valor de voltaje corresponde al voltaje de circuito abierto, definiciones que detallaré en mi próximo artículo.
¿Qué sucede al incidir la luz sobre una unión p-n?
Voy a recurrir al apoyo didáctico que han desarrollado en wikipedia para ayudarme en la explicación, la cual es muy sencilla de entender: i) la iluminación proveniente de una fuente de luz (sol, bombillo o led) incide sobre la unión p-n, abarcando un amplio rango de longitudes de onda y que atravesarán la primera capa (tipo n), cuyo material ventana debe tener una brecha de energía mayor que el material absorbente que conforma la segunda capa (tipo p);
ii) allí se producen los mecanismos de absorción de los fotones de luz que generarán los pares electrón-hueco que superarán el ancho de la barrera en la zona de carga espacial (del campo eléctrico), iii) se producirán procesos de recombinación que desembocará en en el movimiento de los portadores de carga a través de los electrodos superficial y trasero del dispositivo, iv) siendo la medición de la corriente y el voltaje, junto con la intensidad de la radiación incidente, la que nos proporcionará la eficiencia de conversión del sistema fotovoltaico que estemos estudiando.
La magia de la Física ocurre precisamente en esa unión de 2 materiales distintos, en naturaleza, composición química, estructura y respuestas diferentes ante los estímulos de luz, calor y campos electromagnéticos. Nuevamente voy a recurrir al apoyo de imágenes y veremos lo que sucede entre la 2 capas descritas anteriormente:
La zona de carga espacial es la que funciona como un muro de contención entre los portadores de carga mayoritarios distribuidos a cada lado de la unión, se obtiene una diferencia de potencial, medible como voltaje de circuito abierto y cuando se dispone eléctricamente en cortocircuito se generará un flujo de corriente eléctrica que alimentará una carga (bombillo, led, etc), de tal manera que no habrá acumulación de cargas eléctricas en la unión p-n.
Aportes de esta publicación.
Lo impresionante de estos procesos físicos es que un material inorgánico, como lo es un semiconductor, puede producir una respuesta fotovoltaica a la simple incidencia de luz sobre la superficie de la unión p-n. La anchura de la barrera de potencial debe ser superada por las cargas eléctricas, por lo que se requerirá una barrera en forma de un "delta", es decir alta, pero estrecha o en su defecto, ancha y baja, me inclino por la primera opción. Debido a estos detalles de respuesta eléctrica del dispositivo fotovoltaico es que la investigación de nuevos materiales con posibilidades de aplicación en celdas solares ha llevado tanto tiempo y seguimos usando los paneles solares de silicio con algunos incrementos en la eficiencia de conversión de energía solar a energía eléctrica.
Bibliografía y lecturas recomendadas:
○ ¿Qué es el efecto fotovoltaico?○ El efecto fotovoltaico
○ Célula fotoeléctrica
○ Solar cell efficiency
○ Efecto fotovoltaico, ¿qué es, cómo se produce?
○ The photovoltaic effect
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Qué bueno que el resultado haya salido como se esperaba! A veces he comentado que a cualquiera que no tuvo un mínimo de educación en física en su vida, muchas cosas le parecerán "mágicas". Por ello prefiero evitar usar expresiones como "la magia de la física", pero está claro que es una atractiva metáfora 😄
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