La conversión de la energía de la luz en energía eléctrica se basa en un fenómeno llamado efecto fotovoltaico. Cuando semiconductor materiales se exponen a la luz, algunos de los fotones del rayo de luz son absorbidos por el cristal semiconductor que causa un número significativo de electrones libres en el cristal. Esta es la razón básica para producir electricidad debido al efecto fotovoltaico. Célula fotovoltaica es la unidad básica del sistema donde el efecto fotovoltaico se utiliza para producir electricidad a partir de la energía lumínica. El silicio es el material semiconductor más utilizado para construir la célula fotovoltaica. El silicio átomo tiene cuatro electrones de valencia. En un cristal sólido, cada átomo de silicio comparte cada uno de sus cuatro electrones de valencia con otro átomo de silicio más cercano, creando así enlaces covalentes entre ellos. De esta manera, el cristal de silicio obtiene una estructura tetraédrica en forma de red. Mientras que el rayo de luz incide en cualquier material, una parte de la luz se refleja, otra parte se transmite a través de los materiales y el resto es absorbido por los materiales.
Lo mismo ocurre cuando la luz cae sobre un cristal de silicio. Si la intensidad de la luz incidente es lo suficientemente alta, el cristal absorbe un número suficiente de fotones y estos fotones, a su vez, excitan algunos de los electrones de los enlaces covalentes. Estos electrones excitados obtienen entonces suficiente energía para migrar de la banda de valencia a la banda de conducción. Como el nivel de energía de estos electrones está en la banda de conducción, salen del enlace covalente dejando un agujero en el enlace detrás de cada electrón eliminado. Estos son llamados electrones libres que se mueven aleatoriamente dentro de la estructura cristalina del silicio. Estos electrones libres y agujeros tienen un papel vital en la creación de electricidad en célula fotovoltaica. Estos electrones y agujeros se llaman por lo tanto electrones y agujeros generados por la luz respectivamente. Estos electrones y agujeros generados por la luz no pueden producir electricidad sólo en el cristal de silicio. Debería haber algún mecanismo adicional para hacerlo.
Cuando una impureza pentavalente como el fósforo se añade al silicio, los cuatro electrones de valencia de cada átomo de fósforo pentavalente se comparten a través de enlaces covalentes con cuatro átomos de silicio vecinos, y el quinto electrón de valencia no tiene ninguna posibilidad de crear un enlace covalente.
Este quinto electrón se unió entonces, relativamente suelto, con su átomo padre. Incluso a temperatura ambiente, la energía térmica disponible en el cristal es lo suficientemente grande como para disociar estos relativamente sueltos quintos electrones de su átomo padre de fósforo. Mientras que este quinto electrón relativamente suelto se disocia del átomo padre de fósforo, el átomo de fósforo inmoviliza los iones positivos. Dicho electrón disociado se vuelve libre pero no tiene ningún enlace covalente incompleto o agujero en el cristal para ser re-asociado. Estos electrones libres provienen de la impureza pentavalente están siempre listos para conducir la corriente en el semiconductor. Aunque hay un número de electrones libres, la sustancia es eléctricamente neutra ya que el número de iones de fósforo positivos encerrados en la estructura del cristal es exactamente igual al número de electrones libres que salen de ellos. El proceso de inserción de impurezas en el semiconductor se conoce como dopaje, y las impurezas dopadas se conocen como dopantes. Los dopantes pentavalentes que donan su quinto electrón libre al cristal del semiconductor se conocen como donantes. Los semiconductores dopados por impurezas donantes se conocen como semiconductores de tipo n o de tipo negativo, ya que hay muchos electrones libres que están cargados negativamente por naturaleza.
Cuando en lugar de átomos de fósforo pentavalentes, se añaden átomos de impurezas trivalentes como el boro a un cristal semiconductor se creará un tipo de semiconductor opuesto. En este caso, algunos átomos de silicio en la red cristalina serán reemplazados por átomos de boro, en otras palabras, los átomos de boro ocuparán las posiciones de los átomos de silicio reemplazados en la estructura de la red. Tres electrones de valanceo del átomo de boro se emparejarán con el electrón de valanceo de tres átomos de silicio vecinos para crear tres enlaces covalentes completos. Para esta configuración, habrá un átomo de silicio por cada átomo de boro, el cuarto electrón de valencia del cual no encontrará ningún electrón de valencia vecino para completar su cuarto enlace covalente. Por lo tanto, este cuarto electrón de valencia de estos átomos de silicio permanece sin emparejar y se comporta como un enlace incompleto. Así que habrá falta de un electrón en el enlace incompleto, y por lo tanto un enlace incompleto siempre atrae al electrón para completar esta falta. Como tal, hay una vacante para que el electrón se siente.
Esta vacante es conceptualmente llamada agujero positivo. En un semiconductor dopado con impurezas trivalentes, un número significativo de enlaces covalentes se rompen continuamente para completar otros enlaces covalentes incompletos. Cuando un enlace se rompe se crea un agujero en él. Cuando un enlace se completa, el agujero en él desaparece. De esta manera, un agujero parece desaparecer otro agujero vecino. Como tales agujeros tienen un movimiento relativo dentro del cristal semiconductor. En vista de ello, puede decirse que los agujeros también pueden moverse libremente como electrones libres dentro del cristal semiconductor. Como cada uno de los agujeros puede aceptar un electrón, las impurezas trivalentes se conocen como aceptadores dopantes y los semiconductores dopados con aceptadores dopantes se conocen como tipo p o tipo positivo. semiconductor.
En semiconductor tipo n principalmente los electrones libres llevan carga negativa y en semiconductor tipo p principalmente los agujeros a su vez llevan carga positiva, por lo que los electrones libres en el semiconductor de tipo n y los agujeros libres en el semiconductor de tipo p se denominan portador mayoritario en el semiconductor de tipo n y en el semiconductor de tipo p respectivamente.
Siempre existe una barrera potencial entre el material de tipo n y el de tipo p. Esta barrera potencial es esencial para el funcionamiento de un sistema fotovoltaico o célula solar. Mientras que el semiconductor de tipo n y el semiconductor de tipo p se ponen en contacto entre sí, los electrones libres cerca de la superficie de contacto del semiconductor de tipo n obtienen muchos agujeros adyacentes de material de tipo p. Por lo tanto, los electrones libres en el semiconductor de tipo n cerca de su superficie de contacto saltan a los agujeros adyacentes del material de tipo p para recombinarse. No sólo los electrones libres, sino también los electrones de valencia del material tipo n cerca de la superficie de contacto también salen del enlace covalente y se recombinan con más agujeros adyacentes del semiconductor tipo p. A medida que se rompen los enlaces covalentes, se crearán una serie de agujeros en el material de tipo n cerca de la superficie de contacto. Por lo tanto, cerca de la zona de contacto, los agujeros en los materiales de tipo p desaparecen debido a la recombinación, por otro lado los agujeros aparecen en el material de tipo n cerca de la misma zona de contacto. Esto equivale, como tal, a la migración de los agujeros del tipo p al semiconductor del tipo n. Así que tan pronto como un semiconductor de tipo n y un semiconductor de tipo p entran en contacto, los electrones del tipo n se transfieren al tipo p y los agujeros del tipo p se transfieren al tipo n. El proceso es muy rápido pero no continúa para siempre. Después de algún instante, habrá una capa de carga negativa (exceso de electrones) en el semiconductor tipo p adyacente al contacto a lo largo de la superficie de contacto. De manera similar, habrá una capa de carga positiva (iones positivos) en el semiconductor tipo n adyacente al contacto a lo largo de la superficie de contacto. El grosor de estas capas de carga negativa y positiva aumenta hasta cierto punto, pero después de eso, no habrá más electrones que migren desde el semiconductor de tipo n a semiconductor tipo p. Esto se debe a que, mientras que cualquier electrón de un semiconductor de tipo n trata de migrar sobre un semiconductor de tipo p, se enfrenta a una capa suficientemente gruesa de iones positivos en semiconductor tipo n donde caerá sin cruzarlo. Del mismo modo, los agujeros ya no migrarán al semiconductor de tipo n desde el tipo p. Los agujeros al tratar de cruzar la capa negativa en el semiconductor tipo p, estos se recombinarán con los electrones y no habrá más movimiento hacia la región del tipo n.
En otras palabras, la capa de carga negativa en el lado de tipo p y la capa de carga positiva en el lado de tipo n forman juntas una barrera que se opone a la migración de los portadores de carga de un lado a otro. De manera similar, los agujeros en la región de tipo p se impiden que entren en la región de tipo n. Debido a la capa de carga positiva y negativa, habrá un campo eléctrico a través de la región y esta región se llama capa de agotamiento.
Ahora vayamos al cristal de silicio. Cuando un rayo de luz incide en el cristal, una parte de la luz es absorbida por el cristal, y en consecuencia, algunos de los electrones de valencia se excitan y salen del enlace covalente dando lugar a pares libres de electrones-hueco.
Si la luz se enciende semiconductor tipo n los electrones de tales pares de electrones-agujero generados por la luz son incapaces de migrar a la p-región ya que no pueden cruzar la barrera potencial debido a la repulsión de un campo eléctrico a través de la capa de agotamiento. Al mismo tiempo, los agujeros generados por la luz cruzan la región de agotamiento debido a la atracción del campo eléctrico de la capa de agotamiento donde se recombinan con los electrones, y entonces la falta de electrones aquí es compensada por los electrones de valencia de la p-región, y esto hace el mayor número de agujeros en la p-región. Como tal, los agujeros generados por la luz se desplazan a la p-región donde quedan atrapados porque una vez que llegan a la p-región no pueden ser capaces de volver a la región tipo n debido a la repulsión de la barrera potencial.
Como la carga negativa (electrones generados por la luz) está atrapada en un lado y la carga positiva (agujeros generados por la luz) está atrapada en el lado opuesto de una célula, habrá una diferencia de potencial entre estos dos lados de la célula. Esta diferencia de potencial es típicamente de 0,5 V. Así es como un células fotovoltaicas o células solares producen una diferencia de potencial.
