J393: A que se deben los bajos valores de eficiencia en los sistemas fotovoltaicos convencionales?


Aunque no es el único, uno de los factores limitadores de mayor peso es el relativo al propio mecanismo fotovoltaico de conversión de radiación en energía eléctrica. Hay que recordar que en un material semiconductor la mayor parte de los electrones se encuentran ligados a sus respectivos átomos. Cuando la radiación penetra en el material semiconductor, los fotones de la misma colisionan con los electrones, cediéndoles su energía en la interacción. Sólo si esta energía es igual o superior al valor del ancho de banda prohibida o gap del material el electrón ligado será extraído de su átomo y se podrá mover con libertad por el semiconductor, algo que en términos más técnicos se conoce como fotogeneración de un par electrón-hueco. Tras ello, la estructura interna de unión p/n de la célula solar es la que permitirá, tras la interacción fotón-electrón descrita, extraer el mayor número posible de electrones y huecos fotogenerados del dispositivo antes de que se vuelvan a recombinar. Pero es en dicha interacción fotón-electrón donde reside una de las claves de la eficiencia de conversión fotovoltaica, ya que:

  • La radiación incidente con energía menor que la del gap delsemiconductor no podrá contribuir a la fotogeneración, al no poder ceder la energía mínima necesaria para que un electrón de la banda de valencia (electrón ligado), pase a la banda de conducción (electrón libre). Si no se reaprovecha, dicha energía se perderá.
  • La radiación incidente con energía igual o superior a la del gap contribuirá a la fotogeneración. Sin embargo, cuando la energía de los fotones incidentes es superior a la del gap, con ella se generan pares electrón-hueco, éstos adquieren dicha energía pero pierden el exceso paulatinamente mediante interacciones –choques, básicamente- con los átomos del semiconductor (técnicamente, se termalizan), siendo aprovechada sólo la energía del gap.

Aunque son otros muchos factores adicionales los que también contribuyen a la eficiencia del dispositivo –calidad eléctrica y óptica del semiconductor, gap directo o indirecto del mismo, estructura de célula optimizada (dopajes, espesores), existencia de capas antirreflectantes, minimización de las pérdidas por efecto Joule, etc.–, queda claro que uno de los requisitos para una conversión fotovoltaica eficiente es que el espectro de radiación sea lo más cercano posible al gap del semiconductor en el que se fabrican los dispositivos. De hecho, se ha demostrado que dispositivos fotovoltaicos de GaAs que trabajan con luz monocromática acoplada al valor del gap del semiconductor pueden alcanzar eficiencias de conversión entre el 40 y el 50%

 PD: Reciente investigaciones en Israel han reportado alcanzar eficiencias del 75% en centrales solares de concentración.

 

 




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