¿Qué es el Hueco de Banda en las Celdas Solares?

Contenido

1. Introducción
2. ¿Qué es un Hueco de Banda?
3. ¿Por Qué es Importante el Hueco de Banda?
4. ¿Por Qué se Considera Óptimo un Hueco de Banda de 1,5 eV?
5. Hueco de Banda de Diferentes Materiales
6. Optimización del Hueco de Banda y Aplicaciones Prácticas
7. Conclusión

Introducción

El proceso de generación de electricidad mediante paneles solares depende principalmente de un paso crucial. Los electrones pasan de la banda de valencia (dentro de la unión PN del panel solar) a la banda de conducción (circuito externo, como una batería). Los electrones que residen en la banda de valencia, sin energía externa, se denominan así. Para producir electricidad, estos electrones deben trasladarse al circuito externo, conocido como banda de conducción.

Los electrones no pasan de la banda de valencia a la banda de conducción por sí mismos. Se debe proporcionar una cierta cantidad de energía (denominada hueco de banda) para facilitar esta transición.

¿Qué es un Hueco de Banda?

El hueco de banda es un concepto crítico en los materiales semiconductores, que se refiere a la energía mínima necesaria para que los electrones salten a un nivel de energía superior. Es similar a los niños que necesitan suficiente fuerza para saltar al siguiente cuadrado en el juego de la rayuela. El tamaño del hueco de banda determina el rango de longitudes de onda de fotones que un material puede absorber, lo cual es crucial para generar corriente en los paneles solares al absorber eficientemente los fotones a lo largo del espectro solar. Los tamaños variables del hueco de banda permiten que los materiales optimicen la absorción de fotones en regiones de luz de alta o baja energía, adaptándose a diversas necesidades ambientales y de aplicación.

Para los conductores, no hay hueco entre la banda de conducción y la banda de valencia, por lo que la banda de conducción está llena de electrones, lo que hace que el material sea altamente conductor. En contraste, los aislantes tienen un hueco grande entre la banda de valencia y la banda de conducción, impidiendo que los electrones en la banda de valencia salten a la banda de conducción, lo que hace que el material sea no conductor. Los semiconductores tienen un hueco de banda que está entre estos dos extremos, haciéndolos generalmente no conductores. Sin embargo, cuando se añade energía (a través de luz, calor, etc.), los electrones en la banda de valencia pueden moverse a la banda de conducción, permitiendo que el material conduzca electricidad.

¿Por Qué es Importante el Hueco de Banda?

Las celdas solares funcionan al absorber energía de la luz solar, lo que hace que los electrones salten a niveles de energía más altos, creando una corriente eléctrica. El hueco de banda determina qué partículas de energía (fotones) en la luz solar puede absorber la celda solar. Si el hueco de banda es demasiado grande, muchos fotones no tienen suficiente energía para hacer que los electrones salten. Si el hueco de banda es demasiado pequeño, la energía excedente se desperdiciará. Por lo tanto, el hueco de banda adecuado permite que las celdas solares conviertan la luz solar en electricidad de manera más eficiente.

Cuando los fotones excitan electrones cerca del hueco de banda de un semiconductor, pueden ocurrir tres situaciones:

1. Cuando la energía de un fotón es menor que la energía del hueco de banda del semiconductor, los electrones no absorben la energía del fotón, y el fotón pasa a través del semiconductor. Esto se llama pérdida de transparencia.
2. Si la energía del fotón es igual a la energía del hueco de banda del semiconductor, los electrones absorben la energía del fotón y saltan desde el máximo de la banda de valencia (VBM) hasta el mínimo de la banda de conducción (CBM). El campo eléctrico incorporado en la unión PN separa estos electrones, convirtiendo completamente la energía absorbida del fotón en energía eléctrica.
3. Si la energía del fotón es mayor que la energía del hueco de banda del semiconductor, los electrones absorben la energía del fotón y saltan a una posición más alta que el mínimo de la banda de conducción (CBM). La energía excedente se libera como calor a través de un proceso llamado relajación, conocido como pérdida por termalización. Los electrones eventualmente caen al mínimo de la banda de conducción, y el campo eléctrico incorporado los separa, convirtiendo parte de la energía del fotón en energía eléctrica.

Basado en la descripción anterior, podemos sacar las siguientes conclusiones:

1. Un hueco de banda más grande significa que más fotones de baja energía no pueden excitar a los electrones de la banda de valencia a la banda de conducción. Por lo tanto, más fotones no se absorben, lo que lleva a una mayor pérdida de transparencia. En resumen, cuanto mayor es el hueco de banda, mayor es la pérdida de transparencia. Esto se representa con la línea punteada en el gráfico de la esquina inferior izquierda a la esquina superior derecha.
2. Un hueco de banda más pequeño resulta en una mayor absorción de fotones. Sin embargo, la energía excedente de estos fotones se disipa como calor a través de procesos de relajación, aumentando la pérdida por termalización. En pocas palabras, cuanto menor es el hueco de banda, mayor es la pérdida por termalización. Esto se muestra con la línea punteada en el gráfico de la esquina superior izquierda a la esquina inferior derecha.

Al final, la eficiencia real de convertir la luz solar en electricidad, η, se puede describir como:

η = 1 - Pérdida de transparencia - Pérdida por termalización