Con la creciente demanda global de energía limpia y ecológica, la energía solar está ganando cada vez más popularidad. Las células solares, como componente principal de los sistemas de energía solar, son de suma importancia. 

Aquí en este artículo, discutiremos el principio de funcionamiento, la clasificación, las ventajas y desventajas y la dirección de desarrollo futuro de las células solares para que pueda tener una comprensión integral de las células solares.

¿Qué es una célula solar?

Las células solares, o células fotovoltaicas (FV), utilizan materiales semiconductores como el silicio. En pocas palabras, el efecto fotovoltaico consiste en la excitación de electrones y la corriente generada cuando los fotones (partículas de luz solar) inciden en materiales semiconductores. Los electrones se mueven por el circuito, generando una corriente eléctrica que es utilizada por dispositivos externos.

El principio de funcionamiento de las células solares

1: La naturaleza de la conversión de la energía luminosa en energía eléctrica.

El principio fundamental de las células solares es el efecto fotovoltaico. Los fotones solares que inciden sobre materiales semiconductores como el silicio, si su energía es mayor que la anchura de banda prohibida del material, excitan a los electrones de la banda de valencia para que fluyan hacia la banda de conducción y formen pares electrón-hueco. Los portadores fotogenerados son responsables de producir energía eléctrica.

2: Efecto de separación de la unión PN

El dispositivo clave de las células solares es la unión PN (un compuesto de semiconductores de tipo P y tipo N). Dentro de la unión PN, la diferencia de concentración de portadores establece un campo eléctrico interno desde la región N hasta la región P.

Este campo eléctrico obliga a los electrones a concentrarse en la región N y a los huecos a concentrarse en la región P, generando una diferencia de potencial (voltaje). Al establecer contacto con un circuito externo, los electrones fluyen de la región N a la región P a través de este, se recombinan con los huecos, generan una fotocorriente y logran la conversión de energía luminosa en energía eléctrica.

3: El papel de los materiales y la estructura

Materiales semiconductores: los materiales basados ​​en silicio (silicio monocristalino, silicio policristalino) se han vuelto comunes ya que su ancho de banda es aproximadamente el mismo que el espectro solar; los materiales de película delgada (por ejemplo, CdTe) tienen un costo reducido al ser más delgados.

Diseño estructural: por ejemplo, las células PERC reducen la recombinación de portadores mediante la aplicación de pasivación trasera, las células TOPCon maximizan la eficiencia con la aplicación de capas de óxido de tunelización y las células HJT utilizan silicio amorfo y silicio cristalino juntos para mejorar el rendimiento de la interfaz.

4: Conversión de energía en aplicaciones prácticas

La eficiencia de la célula solar depende de la tasa de absorción de fotones (material), la eficiencia de la separación de portadores (masa de la unión PN) y el control de la pérdida de energía (reducción de la recombinación y la resistencia).

En aplicaciones prácticas, mediante el ajuste de la pureza del material, la tecnología de pasivación de la superficie y las estructuras multicapa (celdas apiladas de perovskita, por ejemplo), se puede mejorar aún más la eficiencia de conversión fotoeléctrica, logrando finalmente un uso efectivo de energía limpia.

Resumen

Generación de portadores de carga generados por fotografías → Separación de cargas por campo eléctrico interno → Formación de circuitos externos de corriente → Optimización de materiales y estructuras para mejorar la eficiencia.