Semiconductores: Elementos Clave para la Conversión Fotovoltaica

Los semiconductores son materiales que se encuentran a medio camino entre los conductores y aislantes eléctricos. Su comportamiento único, definido por la estructura atómica y las bandas de energía, los convierte en elementos esenciales para una amplia gama de tecnologías, incluyendo la electrónica moderna y la energía solar.

Propiedades Físicas:

  • Estructura atómica: Los semiconductores están formados por átomos que comparten electrones, creando una red cristalina regular. La disposición y el tipo de átomos determinan las propiedades eléctricas del material.

Estructura cristalina del silicio
Estructura cristalina del silicio, un semiconductor común. Nótese la disposición regular de los átomos.

 

  • Bandas de energía: Los electrones en un semiconductor solo pueden ocupar ciertos niveles de energía, conocidos como bandas de energía. La banda de valencia contiene los electrones unidos a los átomos, mientras que la banda de conducción está vacía a temperaturas bajas y permite a los electrones de dicha banda, a moverse libres por el semiconductor. Si un electrón de la banda de valencia tiene suficiente energía, puede "saltar" a la banda de conducción superando la diferencia de energía entre las dos bandas (llamada separación de energía o banda prohibida) y de este modo, se produce la conductividad eléctrica.

bandas de energía de un semiconductor
Comparación de diagrama de bandas de energía para un conductor, un semiconductor y un aislante. La banda de valencia contiene los electrones, mientras que la banda de conducción está vacía (libres) para circulación de electrones. La banda prohibida (Separación de Energía o banda de Fermi) se encuentra en el medio.

  • Semiconductor intrínseco: Un semiconductor puro, sin impurezas, tiene un número igual de electrones en la banda de valencia y huecos en la banda de conducción. La conductividad eléctrica es baja.
  • Dopado: La adición de pequeñas cantidades de impurezas, llamadas dopantes, puede modificar significativamente las propiedades eléctricas de un semiconductor.
  • Semiconductores tipo N: Se dopan con átomos que tienen un electrón extra, como el arsénico o el fósforo. Estos átomos donan electrones a la banda de conducción, aumentando la conductividad eléctrica.
  • Semiconductores tipo P:  Se dopan con átomos que tienen un electrón menos, como el boro o el galio. Estos átomos crean huecos en la banda de valencia, aumentando la conductividad por la movilidad de los huecos.
  • Unión PN: La unión entre un semiconductor tipo N y uno tipo P crea un campo eléctrico con una diferencia de potencial (0,7V en caso del silicio). Esta región, llamada unión PN, es la base de dispositivos como diodos, transistores y células solares de los paneles fotovoltaicos.

diferencia de potencial unión pn
Diferencia de potencial en una unión pn de silicio

Aplicación de Semiconductores en Energía Solar:

Los semiconductores son el material fundamental de las células solares, que son los dispositivos que convierten la luz solar en electricidad (efecto fotovoltaico). La clave de su funcionamiento radica en la capacidad de los semiconductores de silicio para absorber la luz solar y generar "pares electrón-hueco".

Proceso de la conversión fotovoltaica:

  • 1 - Absorción de luz: Cuando la luz solar incide en una célula solar, los fotones pueden ser absorbidos por los electrones de la banda de valencia, excitándolos (desplazándolos) a la banda de conducción.

explicación como absorve la energía de los fotones una célula fotovoltaica
explicación como absorbe la energía de los fotones una célula fotovoltaica

 

  • 2 - Generación de pares electrón-hueco: La energía de los fotones debe ser igual o mayor que la banda prohibida del semiconductor para que se produzca la absorción. La absorción de un fotón crea un par electrón-hueco, un electrón circulará libre en la banda de conducción y dejará un hueco libre en la banda de valencia.
  • 3 - Separación de portadores: La unión PN en una célula solar crea un campo eléctrico que separa los pares electrón-hueco.
  • 4 - Generación de corriente eléctrica: Los electrones y los huecos separados se dirigen hacia electrodos externos, creando una corriente eléctrica. La eficiencia de la célula solar entonces se define como la cantidad de energía eléctrica generada en relación a la cantidad de energía solar incidente.

Materiales Semiconductores para Células Solares:

Silicio:

  • Silicio monocristalino: La forma más eficiente de silicio, pero también la más cara. Se utiliza en células solares de alta eficiencia para aplicaciones espaciales y terrestres de alta gama.
  • Silicio policristalino: Menos eficiente que el monocristalino, pero más económico. Su uso está en declive en favor del monocristalino.
  • Silicio amorfo: La forma más barata de silicio, pero también la menos eficiente. Se utiliza en células solares de bajo costo para aplicaciones como calculadoras y relojes.

Materiales de la combinación de los materiales III-V:

tabla periódica materiales semiconductores
Grupos III, V y VI de materiales semiconductores

Los materiales semiconductores son aquellos pertenecientes a los grupos IV o combinación de los grupos III y V (semiconductores III-V) o también de los grupos II y VI (semiconductores II-VI).

  • Arseniuro de galio (GaAs): Alta eficiencia (hasta un 30%), pero alto costo. Se utiliza en células solares de alta eficiencia para aplicaciones espaciales y concentradas.
  • Fosfuro de indio y galio (GaInP): Buena eficiencia (hasta un 25%) y menor costo que el GaAs. Se utiliza en células solares multiunión para aumentar la eficiencia.
  • Arseniuro de indio y galio (InGaAs): Similar al GaInP, pero con mayor eficiencia potencial. Se utiliza en células solares de investigación y desarrollo.

Materiales de perovskita:

Nueva generación de semiconductores con potencial para alta eficiencia (hasta un 25%) y bajo costo. Aún en fase de desarrollo, con desafíos de estabilidad y eficiencia a largo plazo. Se investigan diferentes estructuras y composiciones para mejorar la estabilidad y el rendimiento.

Otros materiales:

  • Cobre, indio, galio y selenio (CIGS): Buena eficiencia (hasta un 22%) y bajo costo. Se utiliza en células solares flexibles y en tándem.
  • Telururo de cadmio (CdTe): Alta eficiencia (hasta un 22%), pero con problemas de toxicidad del cadmio. Se utiliza en células solares de bajo costo.
  • Materiales orgánicos: Bajo costo y flexibilidad, pero baja eficiencia (hasta un 10%). Se investigan nuevas moléculas y estructuras para mejorar la eficiencia.

Autor / Redactor:

José Alfonso Alonso Lorenzo

Profesional Fotovoltaico desde 2006.

  • Ingeniero técnico Industrial por la Escuela Politécnica de Ferrol.
  • Experto en Solar Fotovoltaica por el Centro de Investigaciones Energéticas, Medioambientales y Tecnológicas de Madrid en 2009-2010.
  • Experto Profesional en Energía Fotovoltaica, por la UNED 2010-2011.
  • Gerente y Responsable de Compras en SunFields Europe desde 2010.

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