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What is Photovoltaics? - ¿Qué es la energía fotovoltaica?

Aunque tradicionalmente el uso de la energía solar fotovoltaica ha sido en aplicaciones aisladas de la red eléctrica, desde hace unos años la incorporación de esta tecnología al entorno urbano está facilitando su difusión y desarrollo. Es necesario tener en cuenta que la generación eléctrica fotovoltaica es la única que puede producir, a partir de una fuente renovable, electricidad allí donde se consume, reduciendo la saturación de las redes y disminuyendo las pérdidas en el transporte de electricidad.

Converting solar energy to electricity via photovoltaic cells is one of the most exciting and practical scientific discoveries of the last several hundred years. The use of solar power is far less damaging to the environment than burning fossil fuels to generate power. In comparison to other renewable energy resources such as hydro power, wind, and geothermal, solar has unmatched portability and thus flexibility. The sun shines everywhere. These characteristics make solar power a key energy source as we move away from our fossil fuel dependency, and toward more sustainable and clean ways to meet our energy needs.

The sun is a powerful energy resource. Although very little of the billions of megawatts per second generated by the sun reaches our tiny Earth, there is more than enough to be unlimited in potential for terrestrial power production.

The sunlight that powers solar cells travels through space at 186,282 miles per hour to reach the earth 8.4 minutes after leaving the surface of the sun. About 1,368 W/M2 is released at the top of the earth’s atmosphere. Although the solar energy that reaches the Earth’s surface is reduced due to water vapor, ozone layer absorption and scattering by air molecules, there is still plenty of power for us to collect. Harvesting photons for use in homes, factories, offices, vehicles and personal electronics has become practical, and economical, and will continue to increase in its importance in the energy supply equation.

What is Photovoltaics?

Photovoltaics (abbreviated PV) is the most direct way to convert solar radiation into electricity and is based on the photovoltaic effect, which was first observed by Henri Becquerel in 1839. It is quite generally defined as the emergence of an electric voltage between two electrodes attached to a solid or liquid system upon shining light onto this system. Practically all photovoltaic devices incorporate a pn junction in a semiconductor across which the photovoltage is developed . These devices are also known as solar cells. Light absorption occurs in a semiconductor material. The semiconductor material has to be able to absorb a large part of the solar spectrum.

A photovoltaic (PV) cell is a specialized form of semiconductor diode that converts visible light, IR radiation, or UV radiation directly into electricity. When used to obtain electricity from sunlight, this type of device is known as a solar cell. One of the most common types of solar cell is made of specially treated silicon, and is known as a silicon PV cell.

Structure and operation

The basic structure of a silicon PV cell is shown in next figure. It is made out of two types of silicon, called P type and N type. The heart of the device is the surface at which these two types of materials come together, known as the P-N junction.

The top of the assembly is transparent so that light can fall directly on the junction.

The positive electrode is made of metal ribbing interconnected by tiny wires. The negative electrode is a metal base called the substrate, which is placed in contact with the N-type silicon.

When radiant energy strikes the P-N junction, a voltage or potential difference develops between the P-type and N-type materials. When a load is connected to the cell, the intensity of the current through the load increases in proportion to the brightness of the light striking the P-N junction of the cell—up to a certain critical point. As the light intensity increases past this critical point, the current levels off at a maximum called the saturation current. The ratio of the available output power to the light power striking a PV cell is called the efficiency, or the conversion efficiency, of the cell.

Fig. : Construction of a silicon photovoltaic cell.

Dependent on the absorption properties of the material, the light is absorbed in a region more or less close to the surface. When light quanta are absorbed, electron hole pairs are generated, and if their recombination is prevented they can reach the junction where they are separated by an electric field. Even for a weakly absorbing semiconductor like silicon, most carriers are generated near the surface.

Technology

The photovoltaic effect remained a laboratory curiosity from 1839 until 1959, when the first silicon solar cell was developed at Bell Laboratories in 1954 by Chapin et al.  It already had an efficiency of 6%, which was rapidly increased to 10%. The main application for many years was in space vehicle power supplies.

 

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Convertir energía solar en electricidad vía las células fotovoltaicas (también llamada célula, fotocélula o celda fotovoltaica)  es uno de los descubrimientos científicos más emocionantes y más prácticos de los últimos cien años. El uso de la energía solar es por lejos menos perjudicial al medioambiente que la quema de combustibles fósiles para generar energía. En comparación con otros recursos de energía renovables tales como la energía hidráulica, el viento, y geotérmico, la energía solar tiene portabilidad incomparable y así flexibilidad. El sol brilla por todas partes. Estas características hacen de la energía solar una fuente de energía dominante a medida que nos alejamos de nuestra dependencia del combustible fósil, y hacia maneras más sostenibles y más limpias de cubrir nuestras necesidades energéticas.

El sol es una fuente de recursos energéticos de gran alcance. Aunque muy poco de los mil millones de megavatios por segundo generado por el sol alcance nuestra Tierra minúscula, hay más que suficiente para ser ilimitados en potencial para la producción de energía terrestre.

La luz del sol que acciona las células solares viaja a través de espacio a 186.282 kilómetros por hora para alcanzar la tierra 8.4 minutos después de dejar la superficie del sol. Cerca de 1.368 W/m2 se liberan sobre la superficie de la atmósfera de tierra. Aunque la energía solar que alcanza la superficie de la Tierra es reducida debido al vapor de agua, absorción de la capa de ozono y dispersión por las moléculas del aire, todavía hay un montón de energía para que recolectemos. La cosecha de  fotones para el uso en hogares, fábricas, oficinas, vehículos y  electrónica personal ha llegado a ser práctica, y económica, y continuará aumentando su importancia en la ecuación del suministro de energía.

¿Qué es la energía fotovoltaica?

La energía fotovoltaica (abreviada PV) es la manera más directa de convertir la radiación solar en electricidad y se basa en el efecto fotovoltaico, que fue inicialmente observado por Henri Becquerel en 1839. Se define generalmente como la aparición de un voltaje eléctrico entre dos electrodos conectados a un sistema sólido o líquido al incidir luz brillante sobre este sistema. Prácticamente todos los dispositivos fotovoltaicos incorporan una juntura pn en un semiconductor a través de la cual se desarrolla el fotovoltaje. Estos dispositivos también se conocen como celdas solares. La absorción de la luz ocurre en un material  semiconductor. El material semiconductor tiene que poder absorber una parte amplia del espectro solar.

Una célula fotovoltaica (PV) es una forma especializada de diodo semiconductor que convierte la luz visible, la radiación infrarroja, o la radiación ultravioleta  directamente en electricidad. Cuando es utilizado para obtener electricidad de la luz del sol, este tipo de dispositivo se conoce como célula solar. Uno de los tipos más comunes de células solares se hace de silicio especialmente tratado, y se conoce como célula PV de silicio.

Estructura y operación

La estructura básica de una célula PV de silicio se muestra en la figura lateral.  Se hace de dos tipos de silicio, llamados tipo P y tipo N. El corazón del dispositivo es la superficie en la cual estos dos tipos de materiales se juntan, conocida como la juntura P-N.

La tapa del conjunto es transparente de modo que la luz pueda caer directamente en la juntura.

El electrodo positivo se hace de costillaje de metal interconectado por  alambres minúsculos. El electrodo negativo es una base metálica llamada el substrato, que se coloca en contacto con el silicio tipo N.

Cuando la energía radiante incide en la juntura P-N, un voltaje o una diferencia potencial se desarrolla entre los materiales tipo P y tipo N. Cuando una carga es conectada a la célula, la intensidad de la corriente a través de la carga aumenta en proporción con el brillo de la luz que incide en la juntura P-N de la célula - hasta un cierto punto crítico. Cuando la intensidad de luz aumenta más allá de este punto crítico, la corriente se nivela en un máximo llamado corriente de saturación. El cociente entre la potencia de salida disponible y la energía lumínica que cae sobre una célula PV se llama eficacia, o eficacia de conversión, de la célula.

De acuerdo con las características de absorción del material, la luz es absorbida en una región más o menos cerca de la superficie. Cuando los cuantos de luz se absorben, se generan pares de agujeros de electrón, y si se evita su recombinación pueden alcanzar la juntura donde son separados por un campo eléctrico. Incluso para un semiconductor de débil absorción como el silicio, la mayoría de los portadores se generan cerca de la superficie.

Tecnología

El efecto fotovoltaico permaneció como una curiosidad de laboratorio desde 1839 hasta 1959, cuando la primera celda solar de silicio fue desarrollada en los laboratorios de Bell en 1954 por Chapin y otros. Tenía ya una eficacia del 6%, que fue aumentada rápidamente hasta el 10%. El uso principal durante muchos años fue su aplicación en fuentes de alimentación de vehículos espaciales.

 

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