¿Cómo construir una célula solar simple? (Paso a Paso) | Principio de funcionamiento básico de la célula fotovoltaica
Introducción a las células solares o células fotovoltaicas
A célula solar (o Celda fotovoltaica) es un dispositivo que produce corriente eléctrica ya sea por acción química o convirtiendo la luz en corriente eléctrica cuando se expone a la luz solar. Por el bien de este artículo, se prestará atención únicamente a las células solares.
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A célula solar También se conoce como célula fotovoltaica que produce corriente eléctrica cuando la superficie se expone a la luz solar. En el transcurso de este artículo nos referiremos a la luz solar como radiación electromagnética (radiación EM).
En las células solares, la cantidad de energía eléctrica generada por las células depende de la intensidad de la radiación em que llega a la superficie de la célula. La célula solar convierte la radiación em en corriente continua. Así, podemos decir que una célula solar es un dispositivo de unión semiconductor que convierte la radiación electromagnética que nos llega del sol en energía eléctrica. Como se indicó anteriormente, la corriente generada es CC.
Principio de funcionamiento básico de una célula solar/fotovoltaica
El principio de funcionamiento de una célula solar es similar a la conducción en un semiconductor como el silicio. Como se ve en la imagen, la superficie oscura es la parte que está expuesta a la luz solar. Cuando la radiación EM golpea la superficie de la célula, excita los electrones y, como tal, hace que salten de un nivel de energía (órbita) a otro, dejando agujeros detrás.
Estos huecos sirven como portadores de carga positiva, mientras que los electrones sirven como portadores de carga negativa. No te confundas, los electrones o huecos no constituyen para dar las cargas eléctricas. Sólo llevan los cargos. Al hacerlo, la radiación EM se convierte en energía eléctrica. Las células solares están fabricadas básicamente a partir de semiconductores como el silicio y el selenio siendo los más utilizados.
Para entender esto mejor, veamos los diferentes tipos de materiales semiconductores, ya que los materiales más utilizados en la producción de células solares son semiconductores.
Tipos de semiconductores
Tenemos dos tipos de semiconductores que son semiconductores intrínsecos y extrínsecos.
Semiconductores intrínsecos:
Se trata de semiconductores que son puros en su propia forma. No se añade ninguna impureza para mejorar su conductividad. Los semiconductores de este tipo a cero grados Celsius tienen muy pocos o ningún hueco libre y electrones para la conducción.
Semiconductores extrínsecos:
Este tipo de semiconductores no son puros porque están dopados (se añaden sustancias que sirven como impurezas para mejorar su conductividad). Cuando se dopa un semiconductor, se encuentran los siguientes materiales;
- Semiconductores tipo P Este tipo de semiconductor se forma cuando un silicio, selenio o germanio se dopa con un elemento trivalente (elemento con tres electrones de valencia) como el boro. Los agujeros (portadores de carga positiva) son los principales portadores de carga en este tipo de semiconductores.
- N – Semiconductores tipo Los electrones son los principales portadores de carga en este tipo de semiconductores. Llevan cargas negativas. Se forman cuando el silicio o cualquier otro semiconductor se dopa con un elemento pentavalente (elemento con cinco electrones de valencia en la capa exterior).
- PN – Semiconductores tipo Cuando los semiconductores de tipo P y N se unen fundiéndolos, es decir, sometiendo las superficies en contacto a una temperatura alta (sin fundirlas completamente para que formen una sola entidad), se forma un límite o una unión entre ellos que es del orden 10.-3mm. Esa unión formada se llama unión PN. La alta concentración de huecos en un lado de una unión y la alta concentración de electrones en el otro lado hacen que los dos portadores de carga se difundan respectivamente hacia el otro lado de la unión.
¿Cómo construir una célula solar/fotovoltaica simple?
El silicio y el selenio son los semiconductores más utilizados en la producción de células solares. También se utilizan galio, arseniuro, arseniuro de indio y sulfuro de cadmio, etc., pero el silicio y el selenio son los más utilizados.
Sabiendo que los materiales semiconductores como el silicio y el selenio pueden ser bastante caros, hablaremos sobre cómo construir una célula solar utilizando materiales como el silicio y también cómo construir una célula solar utilizando materiales baratos que podemos conseguir a nuestro alrededor.
Tenga en cuenta que el uso de materiales baratos no proporcionará una potencia de salida equivalente en comparación con si va a utilizar silicio o selenio y, en segundo lugar, cuanto mayor sea la superficie del material expuesta a la radiación EM, más energía se producirá.
Construcción de una célula solar utilizando semiconductores de silicio
Como se dijo anteriormente, la superficie es un material tipo P. El material tipo P debe ser delgado para que la energía luminosa (radiación EM) pueda penetrar la unión y alcanzar el material tipo N para permitir la difusión de electrones y huecos.
El anillo niquelado alrededor del material tipo P sirve como terminal de salida positivo, mientras que el revestimiento en la parte inferior del material tipo N sirve como terminal de salida negativo.
¿Cómo construir una célula solar simple? (Paso a paso)
Ahora que ya sabes cómo se producen las células solares utilizando silicio, veamos cómo podemos producir una célula fotovoltaica utilizando diferentes materiales. En lugar de utilizar óxido cuproso, utilizaremos diferentes materiales. Los materiales necesarios son los siguientes;
- Placas de vidrio (cubiertas para portaobjetos de microscopio, por ejemplo)
- Agua desionizada
- Multímetro
- Cinta transparente
- Plato superficial
- Placa eléctrica (1100W si es posible)
- Solución de dióxido de titanio
- Carbono (lápiz de grafito o lubricante de grafito)
- solución de yoduro
- Clips de la carpeta
- Pinzas de cocodrilo
En nuestro último trabajo, el material tipo P está orientado hacia el sol y es más conductor en comparación con el material tipo N. El vidrio es un semiconductor con conductividad parcial. Para que una de las placas de vidrio actúe como material tipo P y la otra como material tipo N, hay que tratarlas con químicos para que al final una de ellas sea más conductora que la otra. Los pasos son los siguientes.
- Limpie bien las superficies de las dos placas de vidrio con etanol. No toque la superficie de las placas de vidrio con la mano después de limpiarlas.
- Usando milímetros, pruebe qué tan conductoras son las superficies de las placas y observe la superficie más conductora de cada una de las placas. Coloque las placas una al lado de la otra con la superficie conductora de cualquiera de las placas hacia abajo y la otra superficie conductora hacia arriba.
- Después del paso 2, aplique una cinta transparente para mantener juntas las placas de vidrio. La cinta debe aplicarse a lo largo de cualquiera de los lados largos de las placas. La cinta debe superponerse aproximadamente 1 mm de los bordes. También coloque una cinta en el exterior de la placa de vidrio hacia arriba de 4 mm a 5 mm.
- Aplique uniformemente gotas de dióxido de titanio a la superficie de las placas de vidrio y distribuya la solución uniformemente. Deje que la solución cubra la superficie conductora que está hacia abajo.
- Cuando termine de aplicar dióxido de titanio, retire las cintas que mantienen unidas las placas.
- Coloque la superficie conductora que mira hacia arriba sobre una placa eléctrica durante la noche para hornear el dióxido de titanio sobre las placas. Limpia el dióxido de titanio que se encuentra en la superficie conductora hacia abajo y colócalo en un lugar limpio.
- Consiga un plato poco profundo y llénelo con tinte hecho con jugo de mora, frambuesa o granada, etc. Remoje el plato recubierto de dióxido de titanio que está boca abajo durante al menos 10 minutos.
- Limpie la otra placa con etanol mientras la placa de dióxido de titanio se remoja en el tinte. Pruebe la conductividad de su superficie después de la limpieza. Marca el lado que no conduce corriente eléctrica como positivo. Aplique lubricante de grafito de lápiz de grafito sobre el lado conductor y cubra toda la superficie.
- Saque la placa recubierta con dióxido de titanio del tinte. Enjuáguelo primero con agua desionizada y luego con etanol. Limpie el etanol de la placa con un pañuelo limpio.
- Ensamble las dos placas de manera que los recubrimientos se toquen entre sí con las placas ligeramente desplazadas. Mantenga las placas en su lugar con la ayuda de clips para carpetas. Deben estar desplazados porque los bordes servirán como terminales.
- Aplique gotas de solución de yoduro al revestimiento expuesto a la luz solar. Deje que los recubrimientos se empapen completamente en la solución. La esencia de la solución de yoduro es ayudar a que los electrones fluyan desde la placa recubierta de dióxido de titanio a la placa recubierta de carbono cuando se exponen a la radiación EM. Si hay exceso de solución de yoduro, limpie la solución de la superficie que va a exponerse a la luz solar.
- Coloque una pinza de cocodrilo o una pinza de cocodrilo en las secciones de la superficie recubierta a ambos lados de la celda. Un clip unido a la superficie recubierta con grafito que sirve como soporte mientras que el clip de cocodrilo está unido a la superficie recubierta con dióxido de titanio. Este, por supuesto, es el cátodo. Conecte los cables conductores a los clips y colóquelos en una posición en la que la luz incida sobre la superficie de la placa. Su célula solar ya está lista para usar. Puedes probar la cantidad de voltaje y corriente que produce la célula solar usando el multímetro. Obviamente, el voltaje no es suficiente para cargar tu teléfono, ¡pero puedes hacer una cadena de estas células solares para hacerlo!.
Ventajas de utilizar células solares
Las siguientes son las ventajas de utilizar células solares:
- No produce ruido
- No requiere combustible para encenderlo.
- Su poder motriz es de naturaleza libre.
- Requiere poco mantenimiento
Desventajas del uso de células solares
La desventaja del uso de células solares es
- La superficie de la celda debe ser grande para producir una cantidad razonable de energía eléctrica.
- Cuando el sol se esconde entre las nubes, la cantidad de energía generada se reducirá.
- No pueden utilizarse como fuente de energía debido a las fluctuaciones en la cantidad de energía generada.
Aplicaciones y usos de las células solares
Células solares Tiene numerosas aplicaciones a pesar de sus desventajas las cuales son las siguientes:
- Grupo de series: las células solares conectadas en paralelo se pueden utilizar como cargador de batería.
- Se utilizan ampliamente como fuente de energía para satélites.
- Los dispositivos fotovoltaicos de silicio de unidades múltiples se pueden utilizar para detectar luz en aplicaciones como la lectura de tarjetas perforadas en la industria de procesamiento de datos.
- Como detectores de infrarrojos se pueden utilizar células de germanio dopadas con oro con una característica de respuesta espectral controlada.
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