Enlace covalente - Arturo Lara

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Enlace covalente
• Electrón libre
® Hueco
T Figura 1.20. Representación de
los enlaces de los átomos del sili-
cio.
saber m s
Un electrónvoltio - eV- es la canti-
dad de energía que adquiere un
electrón cuando atraviesa un
potencial de un voltio en el vacío.
caso práctico inicial
Aquí se explica el efecto fotovoltai-
co que es el principio de funciona-
miento de los módulos fotovoltai-
cos.
2. Efecto fotovoltaico
Las células solares se fabrican con semiconductores. Los semiconductores son ele-
mentos sólidos que tienen una conductividad eléctrica inferior a la de un con-
ductor metálico pero superior a la de un buen aislante. El semiconductor más uti-
lizado es el silicio.
Los átomos de silicio tienen su orbital externo incompleto con solo cuatro elec-
trones denominados electrones de valencia (figura 1.20). Estos átomos forman
una red cristalina en la que cada átomo comparte sus cuatro electrones de valen-
cia con los cuatro átomos vecinos formando enlaces envalentes.
Cualquier aporte de energía, como una elevación de la temperatura o la ilumina-
ción del semiconductor, provoca que algunos electrones de valencia absorban su-
ficiente energía para librarse del enlace covalente y moverse a través de la red
cristalina, convirtiéndose en electrones libres.
Cuando un electrón libre abandona el átomo de un cristal de silicio, deja en la
red cristalina una vacante (hueco) que con respecto a los electrones circundan-
tes tiene efectos similares a los que provocaría una carga positiva. A las vacantes
así producidas se las llama huecos con carga positiva.
La energía mínima necesaria para romper un enlace y generar un par electrón-
hueco es una cantidad constante, característica del material semiconductor, que
se denomina energía de enlace. Para el silicio, la energía necesaria para generar
un par electrón-hueco es 1,12 eV.
La luz solar está formada por fotones que se pueden definir como partículas sin
masa con una determinada cantidad de energía. Las diferentes energías de los fo-
tones corresponden a las diferentes longitudes de onda que componen el espec-
tro electromagnético solar (véase la figura 1.16 del apartado 5). El espectro visi-
ble se sitúa entre 1,6 y 3,1 eV, a partir de 3,1 eV se encuentra el ultravioleta (UV)
y por debajo de 1,6 eV tenemos el infrarrojo (IR).
Cuando un fotón incide sobre un semiconductor, si tiene suficiente energía, ge-
nera un par electrón-hueco. Si su energía es inferior a la energía de enlace del ma-
terial, lo atravesará sin producir ningún efecto. Por ejemplo, en el silicio, los fo-
tones con longitudes de onda superiores a 1.100 nm, que tienen una energía
inferior a 1,12 eV, no pueden producir pares electrón-hueco.
Los electrones y huecos que se generan al iluminar un semiconductor se mueven
por su interior aleatoriamente, cada vez que un electrón encuentra un hueco, lo
ocupa y libera la energía adquirida previamente en forma de calor, esto se llama
recombinación de un par electrón-hueco. Este proceso no tiene ninguna utilidad
si no se consigue separar los electrones y los huecos de manera que se agrupen
en diferentes zonas para formar un campo eléctrico, de forma que el semicon-
ductor se comporte como un generador eléctrico. Si de alguna forma se consigue
mantener esta separación y se mantiene constante la iluminación aparece una di-
ferencia de potencial. Esta conversión de luz en diferencia de potencial recibe
el nombre de efecto fotovoltaico. Para conseguir la separación de electrones y
huecos se utiliza una unión de semiconductores P y N.