Capítulo I

Objetivo

Conocer el funcionamiento de un panel solar basado en sus componentes y

comportamientos químicos

Estudio en la parte química del vehículo solar

Todos los cuerpos o elementos químicos existentes en la naturaleza poseen características

diferentes, agrupadas todas en la denominada “Tabla de Elementos Químicos”. Desde el

punto de vista eléctrico, todos los cuerpos simples o compuestos formados por esos

elementos se pueden dividir en tres amplias categorías:

Conductores

Aislantes

Semiconductores

Los materiales conductores ofrecen una baja resistencia al paso de la corriente eléctrica.

Los semiconductores se encuentran a medio camino entre los conductores y los aislantes,

pues en unos casos permiten la circulación de la corriente eléctrica y en otros no.

Finalmente los cuerpos aislantes ofrecen una alta resistencia al paso de la corriente

eléctrica.

Materiales conductores

En la categoría “conductores” se encuentran agrupados todos los metales que en mayor o

menor medida conducen o permiten el paso de la corriente eléctrica por sus cuerpos. Entre

los mejores conductores por orden de importancia para uso en la distribución de la energía

eléctrica de alta, media y baja tensión, así como para la fabricación de componentes de todo

tipo como dispositivos y equipos eléctricos y electrónicos, se encuentran el cobre (Cu),

aluminio (Al), plata (Ag), mercurio (Hg) y oro (Au).

Los conductores de cobre son los materiales más utilizados en los circuitos eléctricos por la

baja resistencia que presentan al paso de la corriente.

En general el núcleo de los átomos de cualquier elemento que forman todos los cuerpos

sólidos, líquidos y gaseosos que conocemos se encuentran rodeados por una nube de

electrones que giran su alrededor, distribuidos en una o en varias órbitas, capas o niveles de

energía. Al átomo de cada elemento contemplado en la “Tabla de Elementos Químicos” le

corresponde un número atómico que sirve para diferenciar las propiedades de cada uno de

ellos. Ese número coincide también con la cantidad total de electrones que giran alrededor

del núcleo de cada átomo en particular. No obstante, independientemente de la cantidad

total de electrones que le corresponda a cada elemento, en la última capa u órbita sólo

pueden girar de uno a ocho electrones como máximo.

Banda de valencia.

Como ya conocemos, todos átomos que integran cualquier cuerpo material poseen órbitas o

capas, denominadas también niveles de energía, donde giran electrones alrededor de sus

núcleos. La última de esas capas se denomina “banda de valencia” y es donde giran los

electrones que en unos casos el átomo puede ser ceder, como ocurre con los metales y en

otros casos puede atraer o captar de la banda de valencia de otros átomos cercanos. La

banda de valencia es el nivel de energía que determina que un cuerpo se comporte como

conductor, aislante o semiconductor.

En el caso de los metales en la última órbita o “banda de valencia” de sus átomos sólo giran

entre uno y tres electrones como máximo, por lo que su tendencia es cederlos cuando los

excitamos empleando métodos físicos o químicos. Las respectivas valencias de trabajo (o

números de valencia) de los metales son las siguientes: +1, +2 y +3.

Esos números con signo positivo (+) delante, corresponden a la cantidad de electrones que

pueden ceder los átomos de los metales, de acuerdo con la cantidad que contiene cada uno

en la última órbita.

En general la mayoría de los elementos metálicos poseen conductividad eléctrica, es decir,

se comportan como conductores de la electricidad en mayor o menor medida. Los que

poseen un solo electrón (a los que les corresponde el número de valencia +1, como el

cobre), son los que conducen la corriente eléctrica con mayor facilidad.

“En los conductores eléctricos las bandas de energía, formadas por la banda de conducción

y la banda de valencia del elemento metálico, se superponen facilitando que los electrones

puedan saltar desde la última órbita de un átomo a la de otro de los que integran también las

moléculas del propio metal.” (Raymond Chang Quimica General)

Es por eso que cuando se aplica corriente eléctrica a un circuito formado por conductores

de cobre, por ejemplo, los electrones fluyen con facilidad por todo el cuerpo metálico del

alambre que integra el cable.

Normalmente las bandas de energías se componen de: 1) una banda de valencia. 2) una

banda de conducción y, 3) otra banda interpuesta entre las dos anteriores denominada

“banda prohibida”. La función de esta última es impedir o dificultar que los electrones

salten desde la banda de valencia hasta la banda de conducción. En el caso de los metales la

banda prohíbida no existe, por lo que los electrones en ese caso necesitan poca energía para

saltar de una banda a la otra.

Debido a que en los metales conductores de corriente eléctrica la banda de valencia o

última órbita del átomo pose entre uno y tres electrones solamente (de acuerdo con el tipo

de metal de que se trate), existe una gran cantidad de estados energéticos “vacíos” que

permiten excitar los electrones, bien sea por medio de una reacción química, o una reacción

física como la aplicación de calor o la aplicación de una diferencia de potencial (corriente

eléctrica) que ponga en movimiento el flujo electrónico.

En general los metales mejores conductores de electricidad como el cobre, la plata y el oro

poseen una alta densidad de electrones portadores de carga en la banda de valencia, así

como una alta ocupación de niveles de energía en la banda de conducción. Hay que

destacar que aunque la plata y el oro son mucho mejores conductores de la corriente

eléctrica que el cobre, la mayoría de los cables se fabrican con este último metal o con

aluminio en menor proporción, por ser ambos metales buenos conductores de la corriente

eléctrica, pero mucho más baratos de producir y comercializar que la plata y el oro.

Materiales aislantes o dieléctricos.

A diferencia de los cuerpos metálicos buenos conductores de la corriente eléctrica, existen

otros como el aire, la porcelana, el cristal, la mica, la ebonita, las resinas sintéticas, los

plásticos, etc., que ofrecen una alta resistencia a su paso. Esos materiales se conocen como

aislantes o dieléctricos.

Los cuerpos aislantes ofrecen una alta resistencia al paso de la corriente eléctrica. Los

materiales aislantes de plástico utilizados comúnmente en las cajas de conexión y en otros

elementos propios de las instalaciones eléctricas domésticas de baja tensión, así como el

PVC (PolyVinyl Chloride – Policloruro de Vinilo) empleado como revestimiento en los

cables conductores.

Al contrario de lo que ocurre con los átomos de los metales, que ceden sus electrones con

facilidad y conducen bien la corriente eléctrica, los de los elementos aislantes poseen entre

cinco y siete electrones fuertemente ligados a su última órbita, lo que les impide cederlos.

Esa característica los convierte en malos conductores de la electricidad, o no la conducen

en absoluto.

En los materiales aislantes, la banda de conducción se encuentra prácticamente vacía de

portadores de cargas eléctricas o electrones, mientras que la banda de valencia está

completamente llena de estos.

Como ya conocemos, en medio de esas dos bandas se encuentra la “banda prohibida”, cuya

misión es impedir que los electrones de valencia, situados en la última órbita del átomo, se

exciten y salten a la banda de conducción.

La energía propia de los electrones de valencia equivale a unos 0,03 eV (electronvolt)

aproximadamente, cifra muy por debajo de los 6 a 10 eV de energía de salto de banda (Eg)

que requerirían poseer los electrones para atravesar el ancho de la banda prohibida en los

materiales aislantes.

Semiconductor

Es un material aislante que, cuando se le añaden ciertas sustancias o en un determinado

contexto, se vuelve conductor. Esto quiere decir que, de acuerdo a determinados factores, el

semiconductor actúa a modo de aislante o como conductor.

Los semiconductores pueden ser intrínsecos o extrínsecos. Los semiconductores intrínsecos

(que también se conocen como semiconductores extremadamente puros) son cristales que, a

través de enlaces covalentes entre los átomos, desarrollan una estructura de tipo tetraédrico

A temperatura de ambiente, estos cristales tienen electrones que absorben la energía que

necesitan para pasar a la banda de conducción, quedando un hueco de electrón en la banda

de valencia.

Los semiconductores extrínsecos, por su parte, son semiconductores intrínsecos a los que

les agregan impurezas para lograr su dopaje (así se conoce el resultado del proceso que se

lleva a cabo para modificar las propiedades eléctricas de un semiconductor).

Todos los elementos químicos se califican como conductores, aislantes o semiconductores.

Mientras que las conductores tienen baja resistencia a la circulación de la corriente eléctrica

y los aislantes, alta, los semiconductores se ubican entre ambos ya que permiten el paso de

la corriente sólo en ciertos casos. La temperatura, la presión, la radiación y los campos

magnéticos pueden hacer que un semiconductor actúe como conductor o como aislante

según el contexto.

Entre los semiconductores más empleados en el ámbito de la industria, se encuentran el

silicio, el azufre y el germanio.

Incremento de la conductividad en un elemento semiconductor

La mayor o menor conductividad eléctrica que pueden presentar los materiales

semiconductores depende en gran medida de su temperatura interna. En el caso de los

metales, a medida que la temperatura aumenta, la resistencia al paso de la corriente también

aumenta, disminuyendo la conductividad. Todo lo contrario ocurre con los elementos

semiconductores, pues mientras su temperatura aumenta, la conductividad también

aumenta.

En resumen, la conductividad de un elemento semiconductor se puede variar aplicando uno

de los siguientes métodos:

Elevación de su temperatura

Introducción de impurezas (dopaje) dentro de su estructura cristalina

Incrementando la iluminación.

Con relación a este último punto, algunos tipos de semiconductores, como las resistencias

dependientes de la luz (LDR – Light-dependant resistors), varían su conductividad de

acuerdo con la cantidad de luz que reciben.

Resistencia dependiente de la luz (LDR), conocida también como fotorresistor o célula

fotoeléctrica. Posee la característica de disminuir el valor de su resistencia interna cuando la

intensidad de luz que incide sobre la superficie de la celda aumenta. Como material o

elemento semiconductor utiliza el sulfuro de cadmio (CdS) y su principal aplicación es en

el encendido y apagado automático del alumbrado público en las calles de las ciudades,

cuando disminuye la luz solar.

En dependencia de cómo varíen los factores de los puntos más arriba expuestos, los

materiales semiconductores se comportarán como conductores o como aislantes.

¿Cómo funciona un panel solar?

 Sin lugar a dudas, la era de la energía producida por el petróleo está llegando a su fin, y

debemos centrarnos en nuevas energías que sean renovables y menos contaminantes, como

la energía solar

¿De qué están hechos los paneles solares?

Los paneles solares están compuestos de silicio, que hoy en día se utiliza en otras cosas,

como por ejemplo en las computadoras. El silicio despojado de impurezas es un material

ideal para transmitir electrones. Cada átomo tiene espacio para ocho electrones, aunque en

estado natural solo llevan cuatro, por lo que tienen espacio para cuatro más. Cuando se

chocan, se crea un fuerte vínculo pero no están cargados ni positiva ni negativamente.

Por esta razón, los paneles solares están hechos de silicio mezclado con otros materiales

que generan cargas positivas o negativas, como por ejemplo el fósforo que tiene cinco

electrones y el boro que tiene tres. Esto es así porque se deben crear cargas positivas y

negativas para generar la electricidad.

Las placas negativas -con fósforo- y las positivas -con boro- se intercalan en el panel con

hilos conductores entre ellos.

A su vez, estos paneles están recubiertos de cristal no reflectante. También tienen un

inversor, que transforma la corriente continua generada en corriente alterna.

¿Cómo actúa el sol en los paneles solares?

El sol libera muchas partículas de energía diferentes, pero sólo los fotones son necesarios

para generar energía solar.

“El fotón actúa como un martillo en movimiento, únicamente cuando las placas negativas

se colocan de forma particular hacia el sol, por lo que los fotones bombardean esos átomos

de silicio y fósforo, rompiendo electrones y liberando algunos.” (Lucia Vazquez 2013)

La electricidad generada por una única célula solar no es mucha, pero unidas todas por los

hilos conductores permite generar más energía. 

Funcionamiento de las celdas solares.

Para entender la operación de una célula fotovoltaica, necesitamos considerar la naturaleza

del material y la naturaleza de la luz del sol. Las celdas solares están formadas por dos tipos

de material, generalmente silicio tipo p y silicio tipo n. La luz de ciertas longitudes de onda

puede ionizar los átomos en el silicio y el campo interno producido por la unión que separa

algunas de las cargas positivas ("agujeros") de las cargas negativas (electrones) dentro del

dispositivo fotovoltaico.

Los agujeros se mueven hacia la capa positiva o capa de tipo p y los electrones

hacia la negativa o capa tipo n. Aunque estas cargas opuestas se atraen mutuamente, la

mayoría de ellas solamente se pueden re combinar pasando a través de un circuito externo

fuera del material debido a la barrera de energía potencial interno. Por lo tanto si se hace un

circuito se puede producir una corriente a partir de las celdas iluminadas, puesto que los

electrones libres tienen que pasar a través del circuito para recombinarse con los agujeros

positivos.

La cantidad de energía que entrega un dispositivo fotovoltaico está determinado por:

• El tipo y el área del material

• La intensidad de la luz del sol

• La longitud de onda de la luz del sol

Por ejemplo, las celdas solares de silicio mono cristalino actualmente no pueden convertir

más el de 25% de la energía solar en electricidad, porque la radiación en la región infrarroja

del espectro electromagnético no tiene suficiente energía como para separar las cargas

positivas y negativas en el material.

Las celdas solares de silicio poli cristalino en la actualidad tienen una eficiencia de menos

del 20% y las celdas amorfas de silicio tienen actualmente una eficiencia cerca del 10%,

debido a pérdidas de energía internas más altas que las del silicio mono cristalino.

Una típica célula fotovoltaica de silicio mono cristalino de 100 cm2 producirá cerca

de 1.5 vatios de energía a 0.5 voltios de Corriente Continua y 3 amperios bajo la luz del sol

en pleno verano (el 1000Wm-2). La energía de salida de la célula es casi directamente

proporcional a la intensidad de la luz del sol. (Por ejemplo, si la

Intensidad de la luz del sol se divide por la mitad la energía de salida también será

disminuida a la mitad).

Una característica importante de las celdas fotovoltaicas es que el voltaje de la célula no

depende de su tamaño, y sigue siendo bastante constante con el cambio de la intensidad de

luz. La corriente en un dispositivo, sin embargo, es casi directamente proporcional a la

intensidad de la luz y al tamaño. Para comparar diversas celdas se las clasifica por densidad

de corriente, o amperios por centímetro cuadrado del área de la célula.

La potencia entregada por una célula solar se puede aumentar con bastante eficacia

empleando un mecanismo de seguimiento para mantener el dispositivo fotovoltaico

directamente frente al sol, o concentrando la luz del sol usando lentes o espejos. Sin

embargo, hay límites a este proceso, debido a la complejidad de los mecanismos, y de la

necesidad de refrescar las celdas. La corriente es relativamente estable a altas temperaturas,

pero el voltaje se reduce, conduciendo a una caída de potencia a causa del aumento de la

temperatura de la célula.

Cristales de silicio

Al combinarse los átomos de Silicio para formar un sólido, lo hacen formando una

estructura ordenada llamada cristal. Esto se debe a los "Enlaces Covalentes", que son las

uniones entre átomos que se hacen compartiendo electrones adyacentes de tal forma que se

crea un equilibrio de fuerzas que mantiene unidos los átomos de Silicio.

Vamos a representar un cristal de silicio de la siguiente forma: (Figura 1 )

Cada átomo de silicio comparte sus 4 electrones de valencia con los átomos vecinos, de tal

manera que tiene 8 electrones en la órbita de valencia, como se ve en la figura.

La fuerza del enlace covalente es tan grande porque son 8 los electrones que quedan

(aunque sean compartidos) con cada átomo, gracias a esta característica los enlaces

covalentes son de una gran solidez.

Semiconductor de tipo “p”

Si en lugar de introducir átomos pentavalentes al cristal de silicio o de germanio lo

dopamos añadiéndoles átomos o impurezas trivalentes como de galio (Ga) (elemento

perteneciente al Grupo III A de la Tabla Periódica con tres electrones en su última órbita o

banda de valencia), al unirse esa impureza en enlace covalente con los átomos de silicio

quedará un hueco o agujero, debido a que faltará un electrón en cada uno de sus átomos

para completar los ocho en su última órbita. En este caso, el átomo de galio tendrá que

captar los electrones faltantes, que normalmente los aportarán los átomos de silicio, como

una forma de compensar las cargas eléctricas. De esa forma el material adquiere

propiedades conductoras y se convierte en un semiconductor extrínseco dopado tipo-P

(positivo), o aceptante, debido al exceso de cargas positivas que provoca la falta de

electrones en los huecos o agujeros que quedan en su estructura cristalina.

Estructura cristalina compuesta por átomos de silicio (Si) que forman, como en el caso

anterior, una celosía, dopada ahora con átomos de galio (Ga) para formar un semiconductor

“extrínseco”. Como se puede observar en la ilustración(Figura 2 ), los átomos de silicio

(con cuatro electrones en. la. última órbita o banda de valencia) se unen formando enlaces

covalente con los átomos de galio (con tres. electrones en su banda de valencia). En esas

condiciones quedará un hueco con defecto de electrones en la estructura cristalina de

silicio, convirtiéndolo en un semiconductor tipo-P (positivo) provocado por el defecto de

electrones en la estructura.

Semiconductores de silicio tipo “n”

Como ya conocemos, ni los átomos de silicio, ni los de germanio en su forma cristalina

ceden ni aceptan electrones en su última órbita; por tanto, no permiten la circulación de la

corriente eléctrica, por tanto, se comportan como materiales aislantes.

Pero si la estructura cristalina de uno de esos elementos semiconductores la dopamos

añadiéndole una pequeña cantidad de impurezas provenientes de átomos de un metaloide

como, por ejemplo, antimonio (Sb) (elemento perteneciente los elementos semiconductores

del Grupo Va de la Tabla Periódica, con cinco electrones en su última órbita o banda de

valencia), estos átomos se integrarán a la estructura del silicio y compartirán cuatro de sus

cinco electrones con otros cuatro pertenecientes a los átomos de silicio o de germanio,

mientras que el quinto electrón restante del antimonio, al quedar liberado, se podrá mover

libremente dentro de toda la estructura cristalina. De esa forma se crea un semiconductor

extrínseco tipo-N, o negativo, debido al exceso de electrones libres existentes dentro de la

estructura cristalina del material semiconductor.

Estructura cristalina compuesta por átomos de silicio (Si) formando una celosía. Como se

puede observar (figura 3) esta estructura se ha dopado añadiendo átomos de antimonio (Sb)

para crear un material semiconductor “extrínseco”. Los átomos de silicio (con cuatro

electrones en la última órbita o banda de valencia) se unen formando enlaces covalentes

con los átomos de antimonio (con cinco en su última órbita banda de valencia). En esa

unión quedará un electrón libre dentro de la estructura cristalina del silicio por cada átomo

de antimonio que se haya añadido. De esa forma el cristal de silicio se convierte en material

semiconductor tipo-N (negativo) debido al exceso electrones libres con cargas negativas

presentes en esa estructura.

“ Si a un semiconductor tipo-N le aplicamos una diferencia de potencial o corriente

eléctrica en sus extremos, los electrones libres portadores de cargas negativas contenidos en

la sustancia impura aumentan. Bajo esas condiciones es posible establecer un flujo de

corriente electrónica a través de la estructura cristalina del semiconductor si le aplicamos

una diferencia de potencia o corriente eléctrica.” (José Antonio E. García Álvarez )

No obstante, la posibilidad de que al aplicárseles una corriente eléctrica los electrones se

puedan mover libremente a través de la estructura atómica de un elemento semiconductor

es mucho más limitada que cuando la corriente fluye por un cuerpo metálico buen

conductor.

Mecanismo de conducción de un semiconductor

Cuando a un elemento semiconductor le aplicamos una diferencia de potencial o corriente

eléctrica, se producen dos flujos contrapuestos: uno producido por el movimiento de

electrones libres que saltan a la “banda de conducción” y otro por el movimiento de los

huecos que quedan en la “banda de valencia” cuando los electrones saltan a la banda de

conducción.

Cuando aplicamos una diferencia de potencial a un elemento semiconductor, se establece

una. “corriente de electrones” en un sentido y otra “corriente de huecos” en sentido

opuesto.

Si analizamos el movimiento que se produce dentro de la estructura cristalina del elemento

semiconductor, notaremos que mientras los electrones se mueven en una dirección, los

huecos o agujeros se mueven en sentido inverso. Por tanto, el mecanismo de conducción de

un elemento semiconductor consiste en mover cargas negativas (electrones) en un sentido y

cargas positivas (huecos o agujeros) en sentido opuesto.

Ese mecanismo de movimiento se denomina "conducción propia del semiconductor", que

para las cargas negativas (o de electrones) será "conducción N", mientras que para las

cargas positivas (de huecos o agujeros), será "conducción P".

Figura 1 Cristal De Silicio

Figura 2 Estructura cristalina compuesta por

átomos de silicio (Si) , dopada ahora con átomos de galio (Ga) para formar un

semiconductor “extrínseco”.

Figura 3 Estructura cristalina compuesta por átomos de silicio (Si) formando una celosía

Bibliografía

http://www.asifunciona.com/fisica/ke_diodo/ke_diodo_3.htm

http://www.sc.ehu.es/sbweb/electronica/elec_basica/tema2/Paginas/Pagina3.htm