Estructura y principio de los elementos solares

Cómo funcionan las células solares

Las células solares y los paneles (baterías) de las células solares utilizan energía solar para generar electricidad: la potencia de la radiación solar por metro cuadrado es de aproximadamente 1350 vatios.

El principio del elemento solar

La estructura de la célula solar más simple y el principio básico de su funcionamiento son los siguientes. Toma el semiconductor habitual - dos placas conectadas entre sí. Están hechas de silicona con la adición de ciertas impurezas en cada una de ellas, debido a que se obtienen los elementos con las propiedades deseadas: la primera placa tiene un exceso de electrones de valencia y la segunda, por el contrario, carece de ellas. Como resultado, el semiconductor tiene una capa cargada negativamente y la capa está cargada positivamente, es decir, las capas «n» y «p».

Estructura-de-la-célula-solar-más-simple.

En el borde del toque de estas placas hay una zona de cierre de la capa. Esta capa contrarresta la transición del exceso de electrones de la capa «n» a la capa «p», donde faltan datos de los electrones (los lugares donde faltan electrones se llaman agujeros). Si se conecta una fuente de alimentación externa ("+" a "p" y "-" a "n") a dicho semiconductor, el campo eléctrico externo obliga a los electrones a superar la zona de bloqueo y la corriente fluye a través del conductor.

Algo similar sucede cuando se expone a la radiación solar en una célula solar. Cuando un fotón de luz vuela a las capas «n» y «p», transmite su energía a los electrones (ubicados en la capa exterior de los átomos), que se liberan, y aparece un agujero en su lugar. Los electrones con la energía resultante superan libremente la capa de cierre del semiconductor y pasan de la capa «p» a la capa «n», y los orificios, por el contrario, pasan de la capa «n» a la capa «p».

Esta transición de electrones de la región «p» a la región «n» y los orificios de la región «n» al área «p» también se ve facilitada por los campos eléctricos de carga positiva ubicados en la zona «n» del conductor y los negativos en la zona «p». Los campos eléctricos parecen atraerse a sí mismos, algunos - electrones, otros - agujeros. Como resultado, la capa «n» adquiere una carga negativa adicional, y «p» es positiva. El resultado de este fenómeno será la aparición en el semiconductor de una diferencia de potencial (voltaje) entre dos placas cercanas a 0,5 V.

La potencia de una corriente eléctrica que puede generar una célula solar cambia en proporción al número de fotones ocupados por la superficie de la fotocélula. Este índice, a su vez, también depende de muchos factores adicionales: intensidad de la radiación luminosa, área fotovoltaica, tiempo de operación, eficiencia del dispositivo, que depende de la temperatura (con su aumento, la conductividad de la fotocélula disminuye significativamente).

Por eso es necesario tener en cuenta lo siguiente: las células solares (fotocélulas, baterías) no pueden ser muy potentes, no pueden funcionar en modo continuo (debido al cambio natural del día y la noche), para estabilizar los principales parámetros (corriente y voltaje) Es necesario utilizar dispositivos adicionales (estabilizadores, acumuladores, etc.).

Pero como una fuente adicional de electricidad, las celdas solares (baterías) pueden usarse perfectamente en lugares donde se necesita poca capacidad y no es posible conectarse a la autopista eléctrica de la ciudad. Cuando se combinan una célula solar y una batería eléctrica, se puede usar un sistema de suministro de energía completamente autónomo, que se puede usar en áreas con buena iluminación solar y la necesidad de energía eléctrica pequeña.

La estructura de la célula solar.

La-estructura-de-la-célula-solar

En la imagen que se muestra arriba, se puede ver que la capa superior de la transición p-n, que tiene un exceso de electrones, está conectada a las placas metálicas, que actúan como un electrodo positivo, que pasa la luz y agrega una rigidez adicional al elemento. La capa inferior en el diseño de la célula solar tiene una falta de electrones, una placa de metal sólido, que sirve como electrodo negativo, está pegada a ella.

Se cree que, idealmente, la batería solar tiene una eficiencia cercana al 20%. Sin embargo, en la práctica, según los especialistas del sitio www.sun-battery.biz, es aproximadamente igual al 10%. Esto depende principalmente de la tecnología en la que se realiza la transición p-n. Los más utilizados y los que tienen el mayor porcentaje de eficiencia son los paneles solares basados en un cristal único o policristal de silicio.

A qué tipo de diseño se relaciona la célula solar puede determinarse a simple vista. Los monocristalinos tienen solo color negro y gris, y los policristalinos tienen una superficie azul. Las células solares policristalinas fabricadas por el método de fundición resultaron ser más baratas en producción. Sin embargo, en ambas placas policristalinas y monocristalinas, hay un inconveniente: el diseño de las células solares en su base no tiene la flexibilidad.

La situación cambió con la aparición en 1975 de una célula solar basada en silicio amorfo, cuyo elemento activo tiene un grosor de 0,5 a 1 micras, lo que le proporciona flexibilidad. El espesor de los elementos de silicio ordinario alcanza los 300 micrones. Sin embargo, a pesar de la propiedad del silicio amorfo para absorber la luz, que es aproximadamente 20 veces mayor que la normal, la eficiencia de las células solares de este tipo no excede el 12%. Para las variantes mono y policristalinas, puede alcanzar el 17% y el 15% respectivamente.

El material del que están hechas las placas, afecta las características de las células solares.

El silicio puro en la fabricación de paneles solares prácticamente no se utiliza. A menudo, como aditivo para la fabricación de una placa que produce una carga positiva, agregue boro y para placas cargadas negativamente - arsénico. Además, en la producción de células solares, se utilizan cada vez más componentes como arseniuro, galio, cobre, cadmio, teluro, selenio y otros. Gracias a ellos, las células solares se vuelven menos sensibles a los cambios en las temperaturas ambientales.

La mayoría de las células solares pueden acumular energía, representando los llamados sistemas. Dado que las células fotoeléctricas producen corriente eléctrica solo cuando se exponen directamente a la luz solar o la luz, se vuelven casi innecesarias por la noche o en un día sombrío. Con los sistemas solares todo es diferente. Están equipados con un acumulador capaz de almacenar electricidad durante el día en que la batería solar la produce y, por la noche, la carga acumulada puede entregarse a los consumidores.

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