Una fotocélula es un dispositivo electrónico que convierte la energía fotónica en energía eléctrica . Se dividen en fotocélulas de electrovacío y semiconductoras [1] . El funcionamiento del dispositivo se basa en la emisión fotoelectrónica o efecto fotoeléctrico interno [2] . La primera fotocélula basada en el efecto fotoeléctrico externo fue creada por Alexander Stoletov a fines del siglo XIX.
Desde el punto de vista energético, los dispositivos más eficientes para convertir la energía solar en energía eléctrica son los convertidores fotovoltaicos de semiconductores (PVC), ya que se trata de una transición energética directa de una sola etapa. La eficiencia de las células solares producidas comercialmente es en promedio del 16%, para las mejores muestras de hasta el 25% [3] . En condiciones de laboratorio ya se han alcanzado niveles de eficiencia del 43,5 % [4] , 44,4 % [5] , 44,7 % [6] .
La falta de diodos rectificadores y antenas efectivas para las frecuencias de radiación electromagnética correspondientes a la luz aún no permite crear convertidores fotoeléctricos que utilicen las propiedades de un cuanto como una onda electromagnética que induce una EMF variable en una antena dipolo, aunque, en teoría, esto es posible. . De tales dispositivos, uno esperaría no solo una mejor eficiencia, sino también una menor dependencia de la temperatura y degradación con el tiempo.
La conversión de energía en las celdas solares se basa en el efecto fotoeléctrico , que se produce en estructuras semiconductoras no homogéneas cuando se exponen a la radiación solar.
La heterogeneidad de la estructura FEP se puede obtener dopando el mismo semiconductor con varias impurezas (creación de uniones pn ) o combinando diferentes semiconductores con una brecha de banda desigual : la energía de separación de un electrón de un átomo (creación de heterouniones ), o cambiando la composición química del semiconductor, lo que lleva a la aparición de un gradiente de banda prohibida (creación de estructuras de brecha graduada). También son posibles varias combinaciones de estos métodos.
La eficiencia de conversión depende de las características electrofísicas de la estructura semiconductora no homogénea, así como de las propiedades ópticas de las células solares, entre las cuales la fotoconductividad juega el papel más importante. Se debe al fenómeno del efecto fotoeléctrico interno en los semiconductores cuando son irradiados con luz solar.
Las principales pérdidas irreversibles de energía en las celdas solares están asociadas a:
Para reducir todo tipo de pérdidas de energía en las células solares, se están desarrollando y aplicando con éxito diversas medidas. Éstos incluyen:
Además, se logró un aumento significativo en la eficiencia de las celdas solares a través de la creación de convertidores con sensibilidad de dos lados (hasta + 80% a la eficiencia ya existente de un lado), el uso de estructuras luminiscentes-reemisoras, Fresnel lentes , descomposición preliminar del espectro solar en dos o más regiones espectrales utilizando divisores de haz de película multicapa ( espejos dicroicos ) con la subsiguiente conversión de cada sección del espectro por una célula solar separada , etc.
En las plantas de energía solar (SPS) se pueden utilizar diferentes tipos de celdas solares, pero no todas cumplen con el conjunto de requisitos para estos sistemas:
Algunos materiales prometedores son difíciles de obtener en las cantidades necesarias para crear una planta de energía solar debido a los recursos naturales limitados de la materia prima oa la complejidad de su procesamiento.
La alta productividad solo se puede lograr con la organización de una producción totalmente automatizada de células solares, por ejemplo, basada en tecnología de cinta, y la creación de una red desarrollada de empresas especializadas de un perfil apropiado, es decir, de hecho, toda una industria. . La producción de fotocélulas y el montaje de baterías solares en líneas automatizadas proporcionarán una reducción múltiple en el costo de la batería.
Silicio , Cu(In,Ga)Se 2 y arseniuro de galio (GaAs) se consideran los materiales más probables para las fotocélulas SES , y en este último caso estamos hablando de heterofotoconvertidores (HFP) con la estructura AlGaAs-GaAs.
Además, las fotocélulas se utilizan en dispositivos de protección, sistemas de control de procesos industriales, analizadores químicos, sistemas de control de combustión de combustibles, control de temperatura, control de calidad de producción en masa, mediciones de iluminación, indicadores de nivel, contadores, para sincronización, para apertura automática de puertas, en relés de tiempo. , en dispositivos de grabación. [7]